常见信号质量问题、危害及其解决方法-信号完整性-过冲、噪声、回勾、边沿缓慢

概述

在电路设计中，“信号”始终是工程师无法绕开的一个知识点。不管是在设计之初，还是在测试环节中，信号质量问题都值得关注。在本文中，主要介绍信号相关的四类问题：信号过冲、毛刺（噪声）、回沟（台阶）、信号边沿缓慢。

1信号过冲

如下图是信号过冲的常见波形图：

危害

1、超过正常供电范围，会产生闩锁效应(现在由于厂家工艺改进， 闩锁问题基本上可以得到规避。但是长时间的信号过冲会使得器件失效率增加);
2、形成干扰源， 对其它器件造成串扰；
3、管脚上的负电压可能使器件PN衬底（ 寄生二极管） 前向偏置，流过的大电流过大时，熔断键丝产生开路；

产生原因

1、 其它相邻信号串扰；
2、 器件驱动能力太强；
3、 没有匹配或者匹配不当；

解决方法

1、 PCB布线避开干扰源和耦合路径；
2、 增加电阻匹配，参考做法是源端串电阻或者末端并电阻，减 少过冲；
如下图是不同匹配电阻下同一信号的上升沿波形，可以看出，通过调节源端匹配电阻，可以减缓信号上升沿。

2毛刺（噪声）

如下图是毛刺的常见波形图：

危害

容易造成控制信号控制错误或时钟信号相位发生错误：
1、数据线上的毛刺如果被采样到，可能造成判断结果错误；
2、边沿触发的器件中，时钟线上的毛刺可能会使得采样到多余的数据 （相当于多了一拍时钟）；

产生原因

1、PCB走线串扰（例如数据线和时钟线并行走线较长，信号线放置在晶振等干扰源附近）；
2、外界干扰，如地线噪声等；
3、逻辑出现竞争、冒险；
注：两个输入信号同时向相反方向的逻辑电平跳变的现象（即一个由1—> 0， 另一个从0 —> 1），称为竞争。因竞争导致在输出端可能产生尖峰脉冲的现象，称为冒险。

解决方法

1、控制器件布局和PCB走线，信号远离干扰源；
2、添加去耦电容或输出滤波等，滤波器件尽量靠近信号管脚；
3、逻辑设计中添加冗余项，或者采用同步逻辑设计，避免竞争冒险；

3回勾（台阶）

如下图是回沟、台阶的常见波形图：

危害

1、主要是时钟类信号上的回勾有危害， 可能会使得采样到多余的数据（相当于多了一拍时钟），影响了时钟信号上升沿和下降沿的单调性；
2、对于电源信号，上电边沿的回勾可能导致系统死机，需要结合复位信号判断是否可以接受；
3、数据信号由于一般是在数据的中间采样，回勾的影响不是很大（除非速率很高，建立保持时间1～2ns，这时需要考虑回勾对数据的影响）；

产生原因

匹配不当， 信号放射回来形成回勾。

解决方法

增加合适的匹配电阻。

4信号边沿缓慢

由于驱动不足或者负载过大，信号边沿缓慢常常伴随着信号幅度较低现象。
如下图是振荡的常见波形图：

危害

上升、下降沿缓慢发生在数据信号线上（串口信号线，HW信号线等）时，会造成数据采样错误。

产生原因

驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）。

解决方法

1、提高驱动能力；
2、减小负载；

参考原文：《常见信号质量问题、危害及其解决方法》