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改善视频分配器中信号完整性的方法

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-03-24 20:02    浏览量:
处理高速电子系统时信号完整性的问题一直很难处理,特别是当越来越多的芯片工作频率高于MHz时,信号的边缘越来越陡峭(已达到PS水平),这些高速设备性能的提高增加了系统设计的难度。同时,高速系统体积的减小使得PCB板的密度迅速增加。
 
信号完整性已成为新一代高速产品设计中越来越值得注意的问题。信号完整性(SI)是一种信号完整性问题,是指信号在电路中以正确的时序和电压进行响应的能力。
 
从广义上讲,信号完整性问题反映在反射,串扰,接地炸弹和延迟等中。反射反射现象的原因是在信号传输线的两端没有适当的阻抗匹配。一部分信号功率通过传输线传递到负载,而另一部分反射到源。
 
布线的几何形状,不正确的端接,通过连接器的传输和电源平面的不连续都将导致信号反射。串扰信号串扰是在没有电连接的情况下由信号线产生的感应电压和感应电流之间的电磁耦合现象。这种耦合将使信号线充当天线,其电容耦合触发耦合电流,感知耦合触发耦合电压,并随着时钟速度的增加和设计尺寸的减小而增加。由于信号线上的交流信号电流通过,产生交变磁场,并且磁场中的其他信号线将感测信号电压。在低频带中,导体之间的耦合可以建立为耦合电容模型,并且在高频段中,它可以被建立为LC集中参数线或传输线模型。
 
另外,PCB板层参数,信号线间距,驱动端和接收端的电气特性,以及信号线端接模式对串扰有一定影响。地面炸弹主要来自电源路径和IC封装引起的分布式电感器的存在。当系统速度越快,同时转换逻辑状态的I / O引脚数越多,就会产生更大的瞬态电流,导致电压波动并改变电源线和地线,通常被称为接地反弹。
 
接地反弹噪声将导致系统的逻辑运算产生错误动作。延迟延迟是指PCB板导线上信号的传输延迟,速度有限,信号从发送端到达接收端。
 
信号的延迟会影响系统的时序,在高速数字系统中,传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。确保信号完整性改善反射反射的方法是几种重要的干扰源之一。
 
 
为了改善由线路阻抗不匹配引起的反射现象,可以选择布线拓扑和端子匹配的方法。使用适当的布线拓扑方法来改善反射,通常不需要添加额外的电子元件。常见的布线拓扑方法有:树法,菊花链法,星法和环法,如图1所示。其中,树法是最差的布线方法,它引起最大量的反射,容易产生额外的负载效果和响铃现象;菊花链法是一种更好的接线方法,适用于地址或数据总线和并行端子布线; Star方法适用于串行端子的接线,但条件是输出缓冲器(驱动器)
 
 
必须是低输出阻抗和高驱动能量,环路方法基本上类似于菊花链方法,但环路方法将消耗更多的环路面积,并且共模噪声的免疫能力差。
 
图1拓扑布线方式除布线拓扑方法外,端子匹配是克服反射现象干扰的最有效方法。传输线的特征阻抗通常是固定值。对于CMOS电路,信号驱动端的输出阻抗相对较小,而接收端的输入阻抗相对较大。
 
在最后一个接收e处可以匹配电阻器信号的nd,使得并行匹配和接收端的结果可以与传输线的特征阻抗相匹配,并且信号的性能得到更好的改善。在串扰电路的设计中,感知串扰通常大于容差串扰,因此可以着重考虑导体之间的互感问题。
 
两个导体之间的感知串扰系数C可以通过以下公式获得:常数K取决于信号建立的时间和信号线的干扰长度(平行长度),H是信号线到信号线的距离板形成,D是两条干扰线中心的距离。
 
K值的计算是复杂的,但由于它总是小于1,因此串扰系数的最坏情况是:根据上述两种情况,减少串扰的主要方法是尽可能增加之间的距离。线(增加D),尽可能靠近地层的信号线(减少H),减少两条线的平行长度(减小K值)。从实际的角度来看,最可行的方法是增加线之间的距离。为了抑制接地反弹的影响,首先要降低IC封装的分布电感。其次,采用IC封装技术,分布电感较少,表面SMD封装通常比DIP封装的接地反弹低30%。然后是降低印刷电路板末端的分布电感。由于电感与导体长度成正比,与宽度成反比,因此很容易在高速数字系统中反弹。一个或多个接地层可以放置在内层中,并且接地层的尺寸较宽,这可以减小接地端电路的电感。此外,电路的设计应避免允许逻辑门尽可能多地驱动过多的负载。
 
因为在数字电路中,如果存在多个并行逻辑器件,则总输入电容是每个逻辑器件的输入电容的总和。视频分配器在使用一路输出视频信号到多个视频设备时的信号完整性分析,请考虑使用VGA视频分配器。实现这一目标的主要方法有:晶体管放大驱动多通道输出和集成芯片视频分配器两种。由于前者电源电压低,电路的动态范围小,而且高频衰减大,只能用在这两个方面要求不高。
 
 
因此,为了使设计的分销商能够实现高保真传输,本文采用集成芯片作为视频驱动器。 15针VGA母插头用作视频信号的输入和输出接口,信号在VGA插头后分别分为行,场和R,G和B信号。
 
 
线路和场信号由晶体管放大到输出端,R,G,B信号由集成芯片MAX4020视频放大器驱动器和终端滤波网络滤波并发送到输出端,如图2所示。 MAX4020是一个单位增益放大器,+ 5V电源驱动,输出电流高达120mA。在VGA分配器的设计中,信号完整性最突出的问题是阻抗匹配。理想传输线L由内部电阻为R0的数字信号驱动源驱动,传输线的特征阻抗为Z0,负载阻抗为RL,如图3所示。如果端子阻抗(B点)与传输线阻抗(点A)不匹配,形成反射,反射电压幅度由负载反射系数ρL确定。
 
ρL可以从以下公式导出:
 
ρL=(RL-Z0)/(RL + Z0)
 
当从端子反射回来的电压到达源端时,它可以反射回负载端,形成两个反射,此时反射电压的幅度由源反射系数RHS确定,RHS可以从以下公式:
 
 
ρs=(R0-Z0)/(R0 + Z0),只要匹配电路设计成满足源阻抗R0等于特征阻抗Z0的传输线,或者负载阻抗RL等于传输线特征阻抗Z0可以是。在实际电路设计中,源端阻抗通常用作负载端阻抗的端匹配方法,并且在负载端增加对地的电阻以实现匹配。由于系统负载阻抗为75Ω,芯片输出电阻为8Ω,因此只要67Ω匹配电阻RTO在源端连接即可。插入的串联电阻值加上驱动源的输出阻抗应大于或等于传输线阻抗(轻微超过阻尼)。该匹配方法使源侧反射系数为零,从而抑制从负载反射回来的信号。优点是每条线路只需要一个终端电阻,不需要连接电源,功耗小。在实际调试中获得的图像没有阴影,雪花,但略深。
 
 
原因是使用这种终止方法,源极侧匹配电阻器被分成输出电路,导致暗图像显示。电路配置如图4所示:在反馈端添加接地电阻RG,以放大电路的驱动电压。设计时应注意反馈电阻RF和输入电阻RG电阻的选择,以符合系统配置。电阻超过组件增加电压噪声,影响放大器的输入容量,导致不必要的0极点,降低带宽甚至产生振荡。
 
调试结果:图像以与输入相同的方式显示。
 
 
 
现代高等教育的模拟分析d。电路设计,仿真分析工具可以给设计人员提供准确,直观的设计结果,及早发现隐患,及时修改,缩短设计时间,降低设计成本。 BoardSim是HyperLynx企业开发的仿真工具。 BoardSim用于在布线后快速分析设计中的信号完整性,电磁兼容性和串扰问题,生成串扰强度报告,区分和解决串扰问题。无阻抗匹配和阻抗匹配后的电路仿真结果如图5所示。正如您所看到的,电路示波器中没有阻抗匹配的接收端电压波形具有较大的过冲和下冲,因此在接收端IC每个周期都会收到一个非常陡的时钟信号,这样的波形会引起强烈的电磁辐射。
 
匹配电路表明通过仿真很好地解决了信号完整性问题。结论本文分析了高速电路设计中信号完整性的问题,提出了一些提高信号完整性的措施,并结合VGA视频分配器系统的设计过程,分析了提高信号完整性的方法。 。实践证明,正确的电路设计与合理的建模仿真相结合是解决高速系统设计中信号完整性问题的有效措施。

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