经验分享|高速信号的定义

凡亿PCB 2020-09-22

信号完整性可以分为狭义和广义,狭义信号完整性主要关注传输线上的信号质量,广义信号完整性则既包括了侠义信号完整性,也包含电源完整性以及电磁干扰等相关的内容。


从狭义上来说通常我们需要考虑信号完整性的信号,也就是常说的高速信号。因此在判断一个信号是否会遇到SI相关问题的时候,首先是要确定这个信号算不算高速信号。


针对高速信号的定义,网上有多种不同的说法。比如:


频率大于50MHZ的信号;

需要考虑趋肤效应带来的影响时的信号;

边沿时间小于100PS的信号;

上升时间小于6倍信号的传输延时;


这些说法都有一定的道理,相对而言最合理的应该是上升时间小于6倍信号传输延时。这里面信号的上升时间可以通过IBIS模型或是数据手册获取(通常信号的上升时间取电平幅度值从10%上升到90%的时间范围,在IBIS模型中给出的上升时间取的是电平幅度变化值的20~80%)。而传输延时则可以按照总长度除信号传播速度进行计算,传输速度简易近似值约为6mil/ps。



为此我们在这里设计了两个小实验,利用最常见的阻抗不匹配产生反射,并查看反射造成的影响来验证这条经验公式。


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实验1:同等的边沿时间,不同的传输距离

第一组实验中,信号的边沿时间都是100ps,传输长度分别是60mil和600mil,根据传输速度进行计算。当长度为60mil,传输延时是10ps,10(传输延时)*6<100(信号边沿时间),因此不构成高速信号的条件。当长度为600mil,传输延时是100ps,100(传输延时)*6>100(信号边沿时间),此时构成高速信号的条件。



分别放置A和B两个观测点,观测波形。可以明显的看到,当不用作为高速信号考虑的时候(波形A),阻抗带来的影响没有表现出来。而满足高速信号的条件后,测试的阻抗问题会带来明显的影响(波形B)。


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实验二:同等传输距离,不同的信号边沿时间



第二组实验我们将走线的长度同样调整为600mil(传输延时约100PS),不同之处在于,作为对比的C和D两个信号的边沿上升时间分别为100ps与1000ps。同样根据我们的计算公式,对于C信号:100*6>100,满足高速信号的定义。对于D信号:100*6<1000,不满足高速信号的定义。



对于结果也是在预料之中,满足高速信号定义的,阻抗不匹配带来明显反射。不满足高速信号定义的,信号受到的影响很小。


0 3
实验总结


当一个信号不满足高速信号的定义时,很多引起信号质量问题的因素都可以忽略。这也是为什么在早期的电路中没有信号完整性这个概念,早期的器件由于生产工艺等多种原因,决定了信号的边沿上升时间缓慢,达不到需要考虑传输线效应的地步。


而判断是否属于高速信号,使用的是边沿时间,而不是更为大家接受的频率。这是因为高频不一定等于高速,同样,低频信号也不能完全忽略它不会产生信号完整性的问题。比如一个30MHZ的信号,如果其上升沿非常陡峭,达到了我们关于高速信号的定义,一样需要注意其信号完整性的问题。


之所以一再强调边沿时间,是由于信号中的低频分量主要影响信号的幅度,而高频分量影响边沿。一个信号的边沿越陡峭,其含有的高频分量也就越多。简单说,边沿陡峭的信号,一定有较大的高频分量。而这也可以用来评估我们信号的带宽,关于高速信号的带宽应该考虑到什么范围,我们下一篇文章见。


文章来源:

公众号:【PCB设计与信号完整性】

作者:十四

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