I/O電路中電壓比較器與I/O信號完整性介紹

I/O電路中電壓比較器

在高速I/O電路設(shè)計中，輸入I/O的比較器是一個非常重要的模塊。它的主要功能是將兩個模擬信號進行比較，輸出一個二進制值。兩個輸入模擬信號可以是兩個互補的電壓信號也可以是一個單端信號與一個參考電壓。

電壓比較器電路如下圖所示

比較器與運放的符號完全一樣，結(jié)構(gòu)上也有許多相似之處。開環(huán)工作下的運放本身就可以看作一個比較器。但是比較器與運放在設(shè)計上有許多不同點。運放設(shè)計時，最重要的是考慮輸出與輸入之間的線性傳輸關(guān)系及頻率補償?shù)姆€(wěn)定性，因此響應(yīng)時間與延遲時間往往很大，開環(huán)增益也不容易做得很大;而比較器是大信號作用，所以總是處于開環(huán)狀態(tài)，不存在因為負(fù)反饋造成的自激振蕩，因此頻率補償是不必要的。

在電壓比較器的參數(shù)中，響應(yīng)速度是其中非常重要的一個。一般要求比較器的響應(yīng)速度要很快。也就是說在輸入電壓發(fā)生變化后，相應(yīng)輸出電壓的變化應(yīng)該很快出現(xiàn)。輸出電壓還應(yīng)該有很短的上升和下降時間。另外對于高性能的電壓比較器來說，還應(yīng)有高的開環(huán)增益、低的失調(diào)電壓、高的壓擺率等。對于MOS差分放大器來說，失調(diào)過大是其固有缺點，因此減少失調(diào)也是一個關(guān)鍵問題。

對于高速的I/O輸入電路設(shè)計中，接收器總是工作在一定的噪聲環(huán)境中，雖然共模噪聲能夠得到很好的抑制，但差模噪聲的存在總是不可避免的。如果比較器足夠的快，并且噪聲的幅度也足夠大，如果輸入恰好位于比較器的閾值點附近，則噪聲就可能會造成接收器的錯誤翻轉(zhuǎn)，使輸出出現(xiàn)一些錯誤脈沖。因此當(dāng)接口電路設(shè)計中用到比較器時，接收器通常會引入閾值遲滯。

閾值遲滯在接收器的設(shè)計中是一種非常重要的技術(shù)。因為當(dāng)接收器的輸入沒有連接、連接的驅(qū)動器的驅(qū)動能力下降時，接收器就會產(chǎn)生不確定的輸入，而閾值遲滯則可以在這種情況下確保接收器的輸出是一個確定值。如下圖所示，中間的方框水平方向的長度大小就是遲滯電壓的大小

I/O信號完整性介紹

信號完整性（Signal Integrity，簡稱SI）是指互連線上信號的質(zhì)量，信號完整性研究則主要是觀察互連線的電氣特性參數(shù)是如何影響數(shù)字信號的電壓電流波形的。信號具有良好的信號完整性是指當(dāng)需要的時候，信號具有所必須達到的電壓電流數(shù)值。

信號完整性問題一般分成五種：

1、單一網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量，即在信號路徑或返回路徑上由于阻抗突變而引起的信號反射和波形失真；

2、相鄰網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_，主要是由與理想回路或非理想回路耦合的電容、電感引起的干擾信號；

3、電平波動（rail collapse），即由輸入輸出接口電路中封裝寄生電感所引起的電壓波動，典型的有過沖和地彈；

4、來自系統(tǒng)的電磁干擾，這是因為高頻信號傳輸會產(chǎn)生大量的EMI（Electromagnetic Interference）噪聲，最終會導(dǎo)致ISI（inter-symbol interference）；

5、高頻信號在有損傳輸線上傳輸引起的損耗和衰減（lossy and attenuation）。

信號反射

信號的振鈴（ringing）和環(huán)繞振蕩（rounding）是由線上的寄生電感和電容引起的信號反射。振鈴屬于欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。該種類型的信號完整性問題通常發(fā)生在周期信號中，如時鐘等。振鈴和環(huán)繞振蕩是由多種因素引起的，振鈴可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

源端與負(fù)載端阻抗不匹配會引起線上反射，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)；反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會導(dǎo)致此類反射。

在高速信號傳輸中由于信號的頻率很高，信號的上升時間或下降時間很短。當(dāng)信號線的長度足夠的長，以至于信號的傳播延時大于信號波形的上升時間或下降時間時，傳輸線效應(yīng)就起作用了。此時如果傳輸線特征阻抗與發(fā)送器輸出阻抗或者接收器輸入阻抗不匹配，就會在傳輸線上產(chǎn)生信號的反射。反射會導(dǎo)致過沖，從而降低系統(tǒng)的噪聲容限和引起較大的延時。

解決高頻信號反射問題主要方法是在設(shè)計時，盡量使傳輸線特征阻抗與發(fā)送器輸出阻抗或者接收器輸入阻抗匹配，一般加入終端匹配電阻，該電阻要根據(jù)信號傳輸介質(zhì)和傳輸長度的不同而做出相應(yīng)的變化。

串?dāng)_

串?dāng)_主要是由線間的耦合電容和耦合電感引起的信號相互干擾的現(xiàn)象。串?dāng)_噪聲就是由相鄰跳變的攻擊者線通過耦合電容或耦合電感對受害者線的干擾信號。由于耦合電容是導(dǎo)致線間信號串?dāng)_的主要因素，而且線間耦合電感很小，所以這里對電感就不作主要分析了。串?dāng)_噪聲在不同外部條件下主要有兩種不同的表現(xiàn)：邏輯毛刺和時序延遲。

當(dāng)受害者線處于靜態(tài)，或者其跳變窗口與攻擊者線跳變窗口分離時，若噪聲信號足夠大，超過門限電壓，將導(dǎo)致受害者線的邏輯狀態(tài)改變，經(jīng)傳播并被觸發(fā)器鎖存后，產(chǎn)生功能錯誤。如下圖所示

當(dāng)攻擊者線和受害者線的開關(guān)窗口重疊時，串?dāng)_效應(yīng)將導(dǎo)致受害者線的延遲變化，如下圖所示。

串?dāng)_延遲最大的問題在于該延遲具有不確定性，與攻擊者線和受害者線的相對跳變方向相關(guān)。若兩者跳變方向相反，則串?dāng)_延遲增大，將可能導(dǎo)致建立時間問題；反之，則串?dāng)_延遲減小，將可能導(dǎo)致保持時間問題。

顯然，攻擊者跳變越快或者耦合電容越大，串?dāng)_噪聲就越大。驅(qū)動器越強（有更低的驅(qū)動阻抗）或者接地電容越多，串?dāng)_噪聲就越小。對于長線，互連電阻也起作用，互連電阻越大，串?dāng)_噪聲就越大。對于串?dāng)_延遲的不確定性，耦合電容與總的互連電容之比是一個非常重要的因素。

電平波動

接口電路中的電平波動主要是由于寄生電感的作用，某些線上的電流突變導(dǎo)致電源-地網(wǎng)絡(luò)的電壓波動。由于電感作用，線上電流突變將導(dǎo)致該線與其相鄰線上的電壓突變。如果這些線是片上電源-地網(wǎng)絡(luò)的一部分，所引起的電壓波動就會影響到電源和地網(wǎng)絡(luò)。由于電感效應(yīng)只對高頻長線重要，自感的提取和分析主要集中于時鐘線，互感效應(yīng)集中于高頻總線信號。

對于有電感問題的電路，一種途徑是在信號層之間增加電源層。由于制造成本和功耗高，此法不再使用。對于時鐘網(wǎng)絡(luò)，信號電流回路應(yīng)該使用同層并行的屏蔽電源線，減小時鐘的自感，并使對其他連線的感性噪聲最小。對于總線，每4到8個并行的長總線信號之間插入電源線。對于長線，增加反相器減小互感效應(yīng)。Repeater插入仍然是減小電感噪聲的最有效的方法之一。

在高頻下，接口電路除了考慮片上寄生電感對高速信號完整性的影響外，芯片封裝的電感更是不能忽略，尤其是對于wire-bond或者periphery-bumped封裝類型的芯片。此時輸入輸出PAD和電源或地PAD都會表現(xiàn)出比較大的自感，其值在2nH到20nH之間，主要取決于線的長度和封裝類型。在高速開關(guān)的情況下，流過電源和地的瞬態(tài)電流很大，由于自感的存在，引起電源電壓的波動或者地電壓的反彈---地彈（Ground-bounce）。如果要提高傳輸速率，減少地彈的影響，必須從如下幾個方面入手：

減少輸出擺幅；

不要驅(qū)動過大的片外負(fù)載；

減少同時跳變的驅(qū)動器數(shù)目；

盡可能減少寄生電感。

EMI噪聲

EMI（Electromagnetic Interference）輻射主要是由電場中電荷的運動或者電場本身變化引起的。通常，任何比較陡直的電平變化，如時鐘、數(shù)據(jù)、地址或者控制信號，都會在電子系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁輻射。在數(shù)字系統(tǒng)中，周期性的時鐘信號是產(chǎn)生EMI的主要源頭。然而，控制信號和時序信號、地址和數(shù)據(jù)總線、互連電纜和連接器同樣也會產(chǎn)生大量的EMI噪聲。在高速串行信號傳輸系統(tǒng)中，隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，尤其是采用源同步傳輸方式后，數(shù)據(jù)傳輸線上的電平變化很快，這時就要重視傳輸線產(chǎn)生的EMI了。要減少高速串行信號傳輸系統(tǒng)中的EMI,通?？梢圆捎貌罘中盘杺鬏敺绞健?/p>

平衡差分線路有兩個大小相等，但方向相反的電流，稱為奇模態(tài)信號（odd-mode signal）。當(dāng)這些奇模態(tài)信號產(chǎn)生的場相互耦合，彼此纏繞，它們就不能輻射出去產(chǎn)生危害，因此有一個平衡緊密耦合的差分傳輸通路有助于減少電磁干擾的輻射。差分信號同樣有抗外部源干擾的能力。這些外部源比如說電動機的感應(yīng)輻射，鄰近傳輸線的串?dāng)_等。

介質(zhì)損耗與衰減

當(dāng)信號在長距離有損傳輸線上傳輸時，由于非電介質(zhì)、輻射等原因通常信號的高頻分量會衰減得很厲害，有的信號在接收端只剩下基波分量，高頻分量完全衰減掉了。為了減少高頻分量的衰減，通常要在PCB的設(shè)計上下功夫。但在電路設(shè)計上，也出現(xiàn)了一些技術(shù)，它們并不能減少信號傳播過程中的高頻分量的衰減，但是它們可以保證信號在經(jīng)過同樣的衰減后，信號仍具有較大比例的高頻分量。這些技術(shù)最初應(yīng)用在通信領(lǐng)域，如預(yù)加重技術(shù)（pre-emphasis）、均衡技術(shù)(equalization)。當(dāng)然，它們應(yīng)在高速信號傳輸領(lǐng)域也是非常有用的。