最近做项目总是遇到信号过冲问题,一般同时存在上冲和下冲。另外还有与之对应的回沟问题。
打算把这块内容学习总结下:
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通常主芯片与其他外设之间有许多传输线,信号在这些传输线(PCB上的走线)上行走。在高速信号中,通常存在信号的完整性问题。影响信号完整性的因素之一就是,阻抗不匹配。这时候在传输线上由于阻抗不匹配,信号会存在反射情况,反射信号与原始信号叠加,就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性的问题。
定义:过冲是在电平发生跳变时出现的一种现象,电平跳变后第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压(一般主芯片会对这些IO口的过冲值进行限制,通常是[-0.3V ~ VCC+0.3V])。如果之后第二、三个峰值电压存在较大起伏,则形成振铃。
危害:1. 过冲的存在会影响芯片的使用寿命,因为峰值电压超出IO的承受能力,会使内部器件受到损坏,也会损坏电路元器件。影响寿命的程度主要看过冲的最大幅值、持续时间和发生频率。2. 过冲、回沟和振铃也会影响接收端对高低电平的判断,尤其是回沟。如果回沟的低值小于高电平,则会导致产生两次高低电平跳变的假象,从而导致接收端误判。
产生原因(简述,详情可以百度到):主要原因在于传输线的阻抗不匹配,造成信号的反射,多个反射信号和原信号在传输线上进行了叠加,导致过冲和振铃。(可以想象下光从空气中射入水中,两个地方的传输系数不同)
建立模型:源端—Rs—Rz—末端
一般理想情况下,末端接受的输入阻抗无穷大,源端输出端的输出阻抗趋近于0。设源端串接的匹配电阻阻抗为Rs,传输线(PCB走线)阻抗为Rz。信号会在传输线两端无休止的反射振荡,反射电压的幅值越来越趋近于0,最终趋于稳态。
如果Rs<Rz,且信号变化较快,则产生过冲振荡;如果Rs>Rz,则边沿会变缓或者产生回沟,上升时间变长。Rs=Rz,才是理想的状态。
解决方法:
1. 如果是主芯片发出来的信号过冲,则可以减小驱动电流。(但是一般不用,因为大多是PCB会不一样,因此阻抗也不一样,如果每款都调驱动电流,则变动较多)
2. 源端电阻更改,进行阻抗匹配。本质上是消除信号路径上的阻抗突变。(在设计原理图时就需要在源端预留一个电阻位置,并且PCB布局时放在靠近源端的位置)(后续过冲问题修改时,可以通过计算阻抗值,或者拿大电阻试下去)
3. 在末端并联一个匹配电阻到电源或者地(类似上下拉电阻)。这个可以消除信号在末端的一次反射,但增加了功耗,一般不用。
4. 增加TVS管限制峰值。(考虑成本问题,一般也不用)
5. 在源端增加一个对地的电容。电容可以抑制信号的突变,从而使信号边沿变缓达到减小过冲的目的。但是边沿变缓后也会影响一些信号的传输和识别,尤其是对边沿时间有要求的。因此也不会常用,用的时候也是上件容值小的电容,降低RC值。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-482699.html
参考:Spring嵌入式工作室文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-482699.html
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