本文要點

集成電路與 PCB 中均存在可能由開關(guān)數(shù)字信號激發(fā)的寄生效應(yīng)。

所有高速數(shù)字集成電路都會產(chǎn)生一定的同步開關(guān)噪聲，噪聲的強度由集成電路結(jié)構(gòu)和 PCB 布局中的寄生參數(shù)決定。

若要區(qū)分同步開關(guān)噪聲與其他信號完整性問題，需要使用封裝電感、I/O 線路和負載電容進行一些簡單的計算。

觀察眼圖中的比特流或示波器上開關(guān)數(shù)字信號的波形，您可能會發(fā)現(xiàn)多種信號完整性問題同時顯現(xiàn)，這是因為這些問題并非孤立存在。外部電路噪聲、功率波動引起的抖動、背景熱噪聲、過沖、反射以及同步開關(guān)噪聲都可能疊加在信號上。同步開關(guān)噪聲（亦稱“地彈”）尤為值得關(guān)注，因為它常被誤判為其他信號完整性問題，即串擾和反射引起的過沖。

現(xiàn)代 CMOS 集成電路的結(jié)構(gòu)為同步開關(guān)噪聲的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件

若要探究此類噪聲的真正成因，我們需要分析集成電路中多個緩沖器同步開關(guān)時的工作機理（因此稱為“同步開關(guān)噪聲”）。集成電路和 PCB 的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生寄生效應(yīng)，從而在集成電路切換狀態(tài)的瞬間激發(fā)強烈噪聲。從電路角度剖析 PCB 與集成電路，有助于我們了解切換過程中的潛在問題以及使用電容的原因。

同步開關(guān)噪聲的產(chǎn)生機理

若要探究同步開關(guān)噪聲的成因，我們需要分析CMOS 緩沖器的結(jié)構(gòu)、同一封裝內(nèi)各緩沖器之間的連接方式以及多個集成電路之間的連接方式。所有 CMOS 緩沖器均連接至同一個接地網(wǎng)絡(luò)，并在系統(tǒng)主時鐘的驅(qū)動下切換狀態(tài)。當多個緩沖器連接至同一接地網(wǎng)絡(luò)并同步開關(guān)時，會產(chǎn)生強烈的振蕩，并疊加至目標信號電平上。

由于所有緩沖器同步開關(guān)，其產(chǎn)生的噪聲會疊加至電路內(nèi)的其他緩沖器上。在測量 I/O 線路相對于接地網(wǎng)絡(luò)的輸出信號時，由此產(chǎn)生的振蕩在時域中清晰可見。通常情況下，我們可以使用示波器和高衰減比的電感式近場探頭進行測量。

同步開關(guān)噪聲特性

關(guān)于同步開關(guān)噪聲，需掌握以下要點：

所有同步開關(guān)噪聲均與 I/O 傳輸線中的電容和電感、接收器的輸入電容以及互連兩端的封裝電感密切相關(guān)。

當更多緩沖器同步開關(guān)時，產(chǎn)生的振蕩幅度更大（電壓峰-峰值更高）。

雖然無法完全消除此類噪聲，但只要選用合適的旁路電容，即可將振蕩幅度抑制在足夠小的范圍，避免干擾接收端器件。

最理想的情況是，使振蕩達到臨界阻尼或過阻尼，但這需要在 I/O 引腳上添加一個較大的串聯(lián)電阻。

要了解此類噪聲的成因，以及同步開關(guān)噪聲產(chǎn)生的物理機制，我們可以分析單個緩沖電路。

單個緩沖電路中的同步開關(guān)噪聲

單個緩沖電路中的開關(guān)噪聲與I/O 傳輸線的電感和電容、接收器的負載電容、引腳封裝電感以及信號路徑中導(dǎo)體的直流電阻密切相關(guān)。下圖展示了從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)過程中的電流返回路徑。正如我們所見，電壓回路與電流路徑均流經(jīng)一個串聯(lián) LC 電路。

從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)過程中的電流返回路徑

由于上述串聯(lián) LC 電路的電阻趨近于零，其瞬態(tài)響應(yīng)預(yù)期表現(xiàn)為欠阻尼振蕩。這是所有阻尼極小的串聯(lián) LC 電路的典型行為。當高速數(shù)字集成電路中的多個緩沖器同步開關(guān)時，這些寄生效應(yīng)便會引發(fā)前文所說的振鈴現(xiàn)象。我們通常在集成電路的電源引腳與接地引腳之間添加一個旁路電容，通過旁路電容的放電來補償接地參考電平的上移。

經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員可能認為“這看起來很像串擾”，這種判斷并無不當。不過，也可能是連接兩個器件的短走線發(fā)生了共振。

地彈、串擾與諧振

從示波器波形來看，這三種信號完整性效應(yīng)的表現(xiàn)可能非常相似，而且還可能同時發(fā)生，從而形成時域中所見的復(fù)雜行為。若要區(qū)分這些效應(yīng)，需要利用互連線中的電容和電感參數(shù)進行一些基礎(chǔ)計算。

專業(yè)的 PCB 設(shè)計工具通常集成 3D 場求解器，可用于從 PCB 布局中提取串擾耦合參數(shù)?；谶@些參數(shù)，不僅能確定任何電壓峰值的預(yù)期大小與瞬態(tài)振蕩頻率，還可直接獲得串擾引起的時域響應(yīng)。這有助您判斷互連線中的噪聲究竟是同步開關(guān)噪聲、串擾、諧振，還是這些效應(yīng)的疊加。