信号品质
比起模拟信号,数字信号对噪声的抵抗能力较强,只要电位水平在一定范围,就能正确判断出0与1。随着电路速度愈来愈快,信号品质愈来愈难以确保。信号的过高(overshoot),过低(undershoot)可能造成目标(target)芯片的损坏 ,振铃波(ring back)与矮化波(runt)一旦使电位水平落入0与1之间的灰色地带,便可能造成0与1的误判。
阻抗不匹配
v 分布电路
高速电路因操作频率的升高,波长相对变短。当波长与线路的长度接近到相近的数量级之内时,我们开始必须把信号当成电磁波的波动来看。如传输线原理,在信号上升(下降)缘的变化时间内,信号若未能传至彼端再反射回来,则需考虑电磁波的效应。以pentium ii时脉产生器的例子而言,它的上升时间约1ns,在6.98 inch。因此当线长超过3.49 inch时,不以传输线的角度来看待这条时脉信号线是不行的。
信号的输出阻抗为zg,负载为zl,传输线特性组特性阻抗(intrinsic impedance)为z0,则zg=z0=zl便是阻抗匹配。 以负载端而言,当z0=zl,所有传输线上的能量与信号会完完全全的送至负载端;若不然,便会有部份的能量反射回输出端。
v 阻抗的计算
在高频的情况下,电阻(r)与电导(g)的因素可被忽略,举例来说,一般的印而电路板,电感为500nh/m,电容为100pf/m,此时 z0=√500nh/100pf=70.7 ohm。
v 电流开关噪声
现代的芯片所耗的电流都十分惊人,因此在内部的功能或信号的开关之间,常引起电源的不稳定。而这种不稳定的问题,可分做两方面来谈 :
a. 因为开关的速度太快,使得在远方的电流供应器无法及时供给适当的能量。此时解决之道是在芯片旁边摆上电容来供应及时电流。
b. 因为芯片的电源或接地接脚有电感存在,因此在电流突然变化时,在接脚上将有压差在。在多条资料线从1变为0时,芯片组的接地脚上瞬间流过大量电流而造成的电位差。
此时芯片组接地已不是0伏,而造成信号上出现隆起小丘的现象,称为触地反弹(ground bounce)。其解决方式,是减少接脚的电感,如选择bga这种接脚极短的包装;并在接地处多用几个贯穿孔连接到地,以并联减少电感。
v 电容摆设位置
以时脉产生器的例子而言,其上升缘时间为1ns,此段时间内信号行进距离为5.43 inch。要能及时供应电源,一个大约的估算公式是l/12,亦即0.45 inch,或1.15 cm内的电容才能完全发挥作用。超过这个距离,则效用将会减弱。例如,距离成为两倍的2.3cm,电容的作用将只剩1/8。
v 隔线干扰(cross talk)
有些讯号,尤其是固定周期讯号的时脉讯号(clock),带有强烈的高频成分。当它与其它的讯号线太靠近时,会将这些已达rf频率的能量传到其它的讯号上,带来emi的困扰。尤其若是被感染的讯号线接往i/o的连接头时,这个问题就更加严重。
隔线干扰对emi而言,通常要求信号线对中心对信号线中心的距离,维持3倍信号线宽度的距离,称为3w法则。
3w法则可保持70%电场不互相干扰,若要达到98%的电场不互相干扰,可使用10w的间距。
v 滤波电容与电感
为了去除信号上高频成分对emi的不良影响,工程师常在信号线上加上滤波用的电容与电感。通常而言,并联旁路电容可去除i/o连接头与信号线上的差动模式(differential-mode) rf 电流;串联电感则可以去除信号线上的共通模式(common-mode) rf电流。
值得注意的是,这些滤波电容与电感除了滤去高频噪声外,也会滤去信号的高频部份,使得信号的上升时间与下降时间变慢。因此最大多数是应用在信号频率不高,但emi问题最容易凸显的i/o信号线部份。
v 电源层与接地层的隔离(isolation)
由于电路板上有速度高的主总线,内存等等的线路,也有速度不快的传统i/o线路,因此常常将慢速的部份,尤其是会将噪声从i/o缆线带出的i/o部份与其它部份相隔离。
常见的作法,是以至少50 mils宽的壕沟将两边的电源层与接地层相隔离,只留一小截的信道与主要的电源层和接地层连接。i/o信号线便从这信道的上方通过,以避免跨越壕沟增大电流回流圈的问题。
结论
数字电路的设计若能从布局(layout)阶段就谨慎的规画,测试时又对重要信号详细测量,如减少电源路径的阻抗,让信号线阻抗匹配,尽量让信号线之间的间距加大,尽量让信号线走直走短(除非有正时的考量)等等。











