VGA視頻分配器系統的信號完整性及改善措施

處理高速電子系統的信號完整性問(wèn)題一直是比較難于處理的,特別是越來(lái)越多的芯片的工作頻率超過(guò)了100 MHz,信號的邊沿越來(lái)越陡(已達到ps級) ,這些高速器件性能的提高更增加了系統設計的難度。同時(shí),高速系統的體積不斷減小使得PCB板的密度迅速提高。信號完整性問(wèn)題已經(jīng)成為新一代高速產(chǎn)品設計中越來(lái)越值得注意的問(wèn)題。

　　信號完整性問(wèn)題的產(chǎn)生

　　信號完整性(SI)是指信號在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應的能力。從廣義上講，信號完整性問(wèn)題表現為反射、串擾、地彈和延遲等。

　　反射

　　反射現象的原因是信號傳輸線(xiàn)的兩端沒(méi)有適當的阻抗匹配。信號功率的一部分經(jīng)傳輸線(xiàn)傳給了負載，另一部分則向源端反射。布線(xiàn)的幾何形狀、不適當的端接、經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面不連續等因素均會(huì )導致信號反射。

　　串擾

　　信號串擾是沒(méi)有電氣連接的信號線(xiàn)之間的感應電壓和感應電流產(chǎn)生的電磁耦合現象。這種耦合會(huì )使信號線(xiàn)起到天線(xiàn)的作用，其電容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓，并且隨著(zhù)時(shí)鐘速度的升高和設計尺寸的減小而加大。由于信號線(xiàn)上的交變信號電流通過(guò)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，處于磁場(chǎng)中的其它信號線(xiàn)會(huì )感應出信號電壓。在低頻段，導線(xiàn)間的耦合可以建立為耦合電容模型;在高頻段，可以建立為L(cháng)C集中參數導線(xiàn)或傳輸線(xiàn)模型。另外，PCB板層的參數、信號線(xiàn)間距、驅動(dòng)端和接收端的電氣特性以及信號線(xiàn)端接方式對串擾都有一定的影響。

　　地彈

　　主要是源于電源路徑以及IC封裝所造成的分布電感的存在。當系統的速度愈快，同時(shí)轉換邏輯狀態(tài)的I/O引腳個(gè)數愈多時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，導致電源線(xiàn)上和地線(xiàn)上電壓波動(dòng)和變化，這就是平時(shí)所說(shuō)的接地反彈。接地反彈噪聲會(huì )造成系統的邏輯運作產(chǎn)生誤動(dòng)作。

　　延遲

　　延遲是指信號在PCB板的導線(xiàn)上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端到達接收端的傳輸延遲。信號的延遲會(huì )對系統的時(shí)序產(chǎn)生影響，在高速數字系統中，傳輸延遲主要取決于導線(xiàn)的長(cháng)度和導線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的介電常數。

　　確保信號完整性的方法

　　改善反射

　　反射是產(chǎn)生干擾的幾個(gè)重要來(lái)源之一。為改善因線(xiàn)路的阻抗不匹配而造成反射的現象，可以選擇采用布線(xiàn)拓撲和終端匹配的辦法。

　　利用適當的布線(xiàn)拓撲法來(lái)改善反射現象，通常不需要增添額外的電子組件。常見(jiàn)的布線(xiàn)拓撲法有:樹(shù)狀法、菊鏈法、星狀法和回路法，如圖1所示。其中樹(shù)狀法是最差的布線(xiàn)法，它所造成的反射量最大，易產(chǎn)生額外的負載效應和振鈴現象;菊鏈法是比較好的布線(xiàn)法，適合于地址或數據總線(xiàn)以及并聯(lián)終端的布線(xiàn);星狀法適合串聯(lián)終端的布線(xiàn)，但條件是輸出緩沖器(驅動(dòng)器)必須是低輸出阻抗以及具有較高的驅動(dòng)能量;回路法基本上與菊鏈法類(lèi)似，但是回路法會(huì )耗費較多的回路面積，對于共模噪聲的免疫能力較差。

　　圖 1布線(xiàn)的拓撲方式

　　除了布線(xiàn)拓撲法，為克服反射現象的干擾，終端匹配是最有效的方法。傳輸線(xiàn)的特性阻抗一般是定值。對于CMOS電路而言，信號的驅動(dòng)端的輸出阻抗比較小，而接收端的輸入阻抗比較大?？梢栽谛盘栕詈蟮慕邮斩似ヅ湟粋€(gè)電阻，這樣匹配和接收端并聯(lián)的結果就可以和傳輸線(xiàn)的特性阻抗相匹配了，信號的性能得到了比較好的改善。

　　解決串擾

　　電路設計中,通常感性串擾要比容性串擾大，所以可以重點(diǎn)考慮導體間的互感問(wèn)題。兩導體間的感性串擾系數C可以通過(guò)下式得出:

　　其中, 常數K 取決于信號的建立時(shí)間和信號線(xiàn)的干擾長(cháng)度(平行長(cháng)度)，H 為信號線(xiàn)到平板地層的距離， D 為兩干擾線(xiàn)的中心的距離。K 值的計算十分復雜,但由于它總是小于1 ,所以串擾系數的最壞情況為：

　　由上面兩式可知,減小串擾的主要途徑有:盡可能得增大線(xiàn)間距離(增大D ) ,盡可能得將信號線(xiàn)靠近地層(減小H ) ,減小兩線(xiàn)的平行長(cháng)度(減小K值) 。從實(shí)際的角度出發(fā),最可行的方法是增大線(xiàn)間距離。

　　圖2 視頻分配器結構圖

　　圖3 理想傳輸線(xiàn)模型