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PCB设计进行噪声预算,电压容限你搞懂了吗?

2018-09-27
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在高速PCB设计中,有很大一部分工作是进行噪声预算,规划系统各种噪声源产生噪声大小。这就涉及到一个非常基础但十分重要的概念:电压容限。


电压容限是指驱动器的输出与接收端输入在最坏情况下的灵敏度之间的差值。很多器件都是输入电压敏感的。


对于驱动器端输出高电平不低于VOH min,输出低电平不高于VOL max。而对于接收端输入来说,只要高于VIH min,就可以保证可靠接收到逻辑1,只要低于VIL max即可保证接收到逻辑0。而如果输入电压位于VIH min和VIL max之间的区域时,可能被接收电路判为1,也可能判为0,因此对于接收电路来说输入电压不能处于这个不定态区域。以高电平输出和输入关系来看,最小的输出值和最小允许输入值之间存在一个差值,这个值就是高电平的电压容限。


即:高电平电压容限 = VOH min - VIH min 。同理低电平电压容限 = VIL max - VOL max 。


电压容限为处理电路系统中各种不理想因素提供了一个缓冲地带,使得系统能够在一定程度上容忍发送和接收过程中的信号畸变。电压容限在系统噪声预算设计中占有重要的作用,系统最终的噪声总量不能超过电压容限,否则,信号进入接收端的不定态区域时,系统将无法正常工作。


实际系统中总会有不理想的因素,造成信号的恶化,引入噪声。下面几种情况都会引入噪声:


1、由于回路阻抗的存在,回路中必然产生压降,导致各逻辑器件之间存在地电位差。门电路发送的信号是本地地电位上的一个固定电位,如果发送端与接收端的参考电位之间发生了偏移,那么收到的将会是另外一个电位。


2、某些逻辑系列产品的门限电平是一个温度的函数。温度较低的门电路到温度较高的门电路的信号传送可能容限减少或者负的容限值。


3、快速变化的返回信号电流,流经接地通路电感,引起逻辑器件之间的对地电压变化。这些对地电压差对于接收信号电位的影响就像上面所说的直流地电位差一样。这是感性串扰的一种形式。


4、邻近线路上的信号可能通过各自的互容或互感相互耦合,对某个指定的线路产生串扰。串扰叠加到预期的接收信号之上,可能使一个好信号偏移到邻近开关门限。


5、振铃、反射、长的线路使二进制信号的形状产生扭曲。与发射端相比,接收端变化了的信号显得更小(或更大)。容限为信号失真流出了一些容许限度。


前两种情况在所有电子系统都会存在,无论其运行速度如何。后三种是高速系统特有的。这3个高速效应都随被传输信号的大小而改变:信号返回电流越大,引起的地电位差越高。信号电压(或电流)越大,产生的串扰越多,而且传输信号越大,表现出的振铃和反射越严重。因此不论是低速还是高速系统,都不可避免的引入噪声,而电压容限给了系统调整地余地。


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