在現(xiàn)代高速電子系統(tǒng)中，信號(hào)完整性(Signal Integrity, SI)已成為確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。信號(hào)完整性是指信號(hào)在傳輸路徑上保持其原始特性的能力，當(dāng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端出發(fā)，經(jīng)過傳輸線到達(dá)連接器，最終被接收端接收的過程中，信號(hào)質(zhì)量可能會(huì)受到多種因素的影響，如反射、串?dāng)_、延遲等，從而導(dǎo)致信號(hào)失真，影響系統(tǒng)性能。設(shè)置合適的接收端，成為優(yōu)化這一信號(hào)傳輸過程、保障信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

信號(hào)完整性問題

可能帶來多不良影響。例如，反射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)過沖和下沖，過沖可能超過器件的耐壓范圍，影響其壽命，下沖則可能使信號(hào)低于邏輯閾值，導(dǎo)致誤判。串?dāng)_是指一個(gè)信號(hào)線上的信號(hào)變化，通過互感和互容在相鄰信號(hào)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，造成信號(hào)失真。在并行數(shù)據(jù)總線中，一根數(shù)據(jù)線的信號(hào)變化就可能干擾相鄰數(shù)據(jù)線，使接收端接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。這些問題嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

接收端在信號(hào)完整性中的重要作用

實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少反射

信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，若傳輸線的特性阻抗與接收端的輸入阻抗不匹配，就會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。合適的接收端能夠?qū)崿F(xiàn)與傳輸線的阻抗匹配，有效減少反射。例如，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)連接中，通過在接收端并聯(lián)一個(gè)與傳輸線特性阻抗相等的電阻，可使信號(hào)在接收端被完全吸收，避免反射產(chǎn)生。這顯著提升了信號(hào)的傳輸質(zhì)量，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。以一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)傳輸為例，若傳輸線特性阻抗為 50 歐姆，在接收端并聯(lián)一個(gè) 50 歐姆的電阻，就能很好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少信號(hào)反射。

抑制串?dāng)_和其他噪聲

合理設(shè)置接收端有助于抑制串?dāng)_和其他噪聲。例如，采用差分接收方式，接收端對(duì)兩根差分信號(hào)線上的共模噪聲具有很強(qiáng)的抑制能力，能有效降低串?dāng)_和環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)的影響。在易受干擾的信號(hào)傳輸中，如射頻信號(hào)傳輸，差分接收可提高信號(hào)的抗干擾能力，保障信號(hào)的完整性。因?yàn)椴罘中盘?hào)的特點(diǎn)是兩根線上的信號(hào)幅度相等、極性相反，在接收端通過差分放大器對(duì)這兩根信號(hào)進(jìn)行處理，共模噪聲會(huì)被抵消，而差分信號(hào)則被放大輸出。

調(diào)整和優(yōu)化信號(hào)電平

接收端可對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使其符合后續(xù)電路的處理要求。例如，通過設(shè)置合適的偏置電阻，可將信號(hào)電平調(diào)整到接收芯片的最佳工作范圍，提高信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性。在模擬信號(hào)傳輸中，合適的偏置能確保接收端準(zhǔn)確檢測(cè)信號(hào)，減少信號(hào)失真。假設(shè)接收芯片的最佳工作電平范圍是 1 - 2V，而輸入信號(hào)的電平在 0.5 - 1.5V 之間，通過設(shè)置合適的偏置電阻，可將信號(hào)電平提升到合適范圍，使接收芯片能更好地處理信號(hào)。

常見的接收端設(shè)置方法

串聯(lián)電阻匹配

在發(fā)送端與傳輸線之間串聯(lián)一個(gè)電阻，該電阻與發(fā)送端器件輸出阻抗之和，近似等于傳輸線阻抗。這種方式適用于單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的信號(hào)連接，能有效控制加載到傳輸線上信號(hào)的電壓幅度。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)傳輸中，若發(fā)送端器件輸出阻抗為 20 歐姆，傳輸線阻抗為 50 歐姆，可在發(fā)送端串聯(lián)一個(gè) 30 歐姆的電阻，這樣可避免信號(hào)在傳輸線上出現(xiàn)過沖和下沖現(xiàn)象，確保接收端能接收到穩(wěn)定的信號(hào)。串聯(lián)電阻匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，成本較低，缺點(diǎn)是信號(hào)在傳輸線上的初始幅值會(huì)降低，可能需要后續(xù)電路進(jìn)行放大處理。

并聯(lián)電阻匹配

在接收端并聯(lián)一個(gè)電阻，使該電阻阻值等于傳輸線阻抗，實(shí)現(xiàn)接收端的阻抗匹配。此方法常用于單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，無需依靠反射建立電平。在復(fù)雜的電路板布線中，對(duì)于多個(gè)接收端的信號(hào)傳輸，采用并聯(lián)電阻匹配，可使每個(gè)接收端都能獲得良好的信號(hào)質(zhì)量，減少信號(hào)反射和干擾。例如，在一個(gè)有多個(gè)接收端的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)接收端都并聯(lián)一個(gè)與傳輸線阻抗相等的電阻，能有效改善信號(hào)傳輸質(zhì)量。并聯(lián)電阻匹配的優(yōu)點(diǎn)是能有效減少反射，提高信號(hào)質(zhì)量，缺點(diǎn)是會(huì)增加信號(hào)源的負(fù)載，可能需要信號(hào)源具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

戴維南端接

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力不足，又必須使用末端并聯(lián)端接時(shí)，可采用戴維南端接。通過上拉電阻和下拉電阻的組合，調(diào)整接收信號(hào)的中值電平位置，使接收器在接收高低電平時(shí)具有近似的噪聲容限。例如，在一些低功耗設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力有限，采用戴維南端接可在保證信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí)，降低功耗。戴維南端接的優(yōu)點(diǎn)是能在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力不足的情況下實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)傳輸，缺點(diǎn)是電阻的選擇需要精確計(jì)算，否則可能影響信號(hào)質(zhì)量。

阻容并聯(lián)匹配(AC 端接)

在阻容并聯(lián)匹配中，電容可阻斷直流通路，減少功耗，電阻阻值與傳輸線阻抗近似相等。AC 端接要求鏈路上傳輸?shù)氖侵绷髌胶庑盘?hào)，如時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)傳輸，AC 端接能有效減少功耗，同時(shí)保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。但需注意，電容值的選擇要綜合考慮傳輸線延時(shí)和信號(hào)游程長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，確保信號(hào)能快速進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。例如，在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)傳輸線延時(shí)和信號(hào)游程長(zhǎng)度計(jì)算出合適的電容值，采用阻容并聯(lián)匹配，可在降低功耗的同時(shí)保證時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。AC 端接的優(yōu)點(diǎn)是能降低功耗，適用于直流平衡信號(hào)傳輸，缺點(diǎn)是電容值的選擇較為復(fù)雜，需要精確計(jì)算。

設(shè)置接收端時(shí)的注意事項(xiàng)

元器件參數(shù)的選擇

要充分考慮接收端元器件的參數(shù)，如電阻的阻值精度、電容的容值穩(wěn)定性等。高精度的電阻和電容能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電路功能，確保信號(hào)完整性。例如，在對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)中，應(yīng)選擇阻值精度高的電阻，以保證阻抗匹配的準(zhǔn)確性。電阻的阻值精度若偏差較大，可能導(dǎo)致實(shí)際阻抗與設(shè)計(jì)值不符，從而產(chǎn)生反射，影響信號(hào)質(zhì)量。

布局與布線

接收端的布局應(yīng)盡量靠近連接器，縮短信號(hào)傳輸路徑，減少傳輸延遲和干擾。同時(shí)，要注意信號(hào)線的布線，避免過長(zhǎng)的平行走線，減少串?dāng)_。在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，合理規(guī)劃接收端的位置，將易受干擾的信號(hào)線與其他信號(hào)線分開布線，可有效提高信號(hào)完整性。例如，將時(shí)鐘信號(hào)線與數(shù)據(jù)信號(hào)線分開布線，可減少時(shí)鐘信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的串?dāng)_。如果時(shí)鐘信號(hào)線和數(shù)據(jù)信號(hào)線平行走線過長(zhǎng)，時(shí)鐘信號(hào)的快速跳變可能會(huì)通過互感和互容對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

與系統(tǒng)的兼容性

設(shè)置接收端時(shí)，需確保其與整個(gè)系統(tǒng)的兼容性。要考慮接收端對(duì)不同信號(hào)類型、頻率和幅度的適應(yīng)性，以及與其他電路模塊的協(xié)同工作能力。在多信號(hào)混合傳輸?shù)南到y(tǒng)中，接收端應(yīng)能同時(shí)處理多種信號(hào)，不產(chǎn)生相互干擾，保證系統(tǒng)的整體性能。例如，在一個(gè)既包含數(shù)字信號(hào)又包含模擬信號(hào)的系統(tǒng)中，接收端要能分別對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行正確處理，不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)類型的不同而出現(xiàn)誤判或干擾其他信號(hào)的情況。

在模擬從驅(qū)動(dòng)到連接器的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中，設(shè)置合適的接收端是解決信號(hào)完整性問題、提高信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要手段。通過合理選擇接收端的設(shè)置方法，注意元器件參數(shù)選擇、布局布線以及與系統(tǒng)的兼容性等問題，能夠有效保障信號(hào)在傳輸過程中的完整性，提高電子系統(tǒng)的性能和可靠性。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)信號(hào)完整性的要求也將越來越高，我們需要不斷深入研究和實(shí)踐，以更好地應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性方面的挑戰(zhàn)。