成电MBA开展“关爱盲人光明行”慈善公益活动

高速信号的上升沿陡峭性确实是RE和SI之间矛盾的核心点之一，特别是在高频电路和高速数字信号设计中。这种矛盾主要体现在信号完整性（SI）与辐射发射（RE）的对立需求上：

1. 上升沿陡峭与SI/RE的关系

• 上升沿越陡峭：

• SI（信号完整性）变好：
  上升沿的陡峭性决定了信号的带宽。更快的上升沿意味着更高的频率分量参与信号的传输，从而更好地还原数字信号的形态（如方波的高对比边缘），提高接收端的解码准确性。

• RE（辐射发射）变差：
  上升沿越陡峭，信号中的高频分量越多，这些高频分量容易通过传输线、连接器和PCB走线辐射出去，导致系统的辐射发射增加，难以满足EMC标准。

• 上升沿变缓：

• SI变差：
  当上升沿减缓时，信号的高频分量被削弱，这会导致信号失真（如边沿模糊、过冲/下冲减少）。特别是在长距离传输或高速信号中，接收端可能无法正确识别信号的逻辑电平。

• RE变好：减缓上升沿实际上是对信号进行低通滤波，削弱了高频分量，从而减少了辐射发射，提高了系统的EMC性能。

方波

• 方波是一种理想信号，理论上包含无穷多的奇次谐波分量，其幅值按1/n1/n1/n（n为谐波阶数）衰减。

• 方波的频谱特性：

• 高频成分非常丰富，且延伸到很高的频率。

• 上升沿极为陡峭，对应频域中的高频谐波能量较强。

• 在实际电路中，方波会引发较大的辐射发射问题（RE差）。

梯形波

• 梯形波的上升沿相对方波更平缓，是方波经过带宽限制（例如低通滤波）后产生的结果。

• 梯形波的频谱特性：

• 谐波能量被大幅削弱，尤其是高频分量。

• 上升时间的延长等效于信号频谱的低通滤波，使高频分量逐渐减少，频谱带宽与上升时间成反比。

• 高频成分减少导致辐射发射（RE）降低。

对比

• 频谱范围（带宽）： 梯形波的频谱能量集中在较低频段，而方波频谱能量分布更广。

• 信号高频分量： 方波的高频成分显著高于梯形波。

(a)方波时域波形

(a)梯形波时域波形

我们对方波和梯形波的展开系数做对数运算，则两种波形在频谱上体现出梯形波的高频分量明显比方波更小，其高频对外辐射也会更小。

方波的包络，如图14.8（a）所示，形波的包络，如图14.8（b）所示

（a）方波的频谱包络

（b）梯形波的频谱包络

(1) RE（辐射发射）的影响

• 梯形波的优势：
  梯形波的上升沿更平缓，高频谐波成分被显著抑制。这减少了高频噪声的产生，降低了天线效应，使辐射发射问题显著改善。

• 原因分析： 电磁辐射的强度与信号频谱中的高频成分成正比，高频分量的减少直接降低了电磁辐射。

• 方波的劣势：
  方波因其陡峭的上升沿，频谱中高频分量非常强，容易耦合到PCB走线或连接线中，导致辐射发射显著增加。

(2) SI（信号完整性）的影响

• 梯形波的劣势：
  上升沿的平缓性会导致信号过渡时间变长，接收端可能无法准确识别电平的变化，尤其是在高速传输中：

• 信号眼图变差：信号的过渡区域变宽，容易引发码间干扰（ISI）。

• 信号边沿模糊：接收端对时钟的锁定难度增加，误码率提高。

• 方波的优势：
  陡峭的上升沿提供了清晰的过渡区域，信号完整性较好，接收端可以更准确地识别信号。

2. 高速信号上升沿的设计权衡

如何在SI和RE之间找到平衡点，主要取决于信号的速率要求和系统的EMC设计目标：

(1) 上升沿速率的控制

• 通过驱动能力调节上升沿陡峭性：
  IC厂商通常允许通过调整驱动能力或负载匹配电路，来适当减缓上升沿的陡峭性。例如：

• 调低驱动强度以降低高频噪声。

• 对高速信号使用专用驱动器，优化其带宽和边沿速率。

• 选用合适的信号速率：
  如果信号速率允许，可以通过降低数据速率（如减少过高的冗余频率），减小信号高频成分的比例。

(2) 终端匹配与阻抗控制

• 终端匹配可以同时改善SI和RE：
  通过合理的终端阻抗匹配（如加匹配电阻或RC网络），可以减少信号反射和振铃现象，从而降低辐射发射，同时保证信号完整性。

(3) 使用缓冲电路或滤波器

• 缓冲电路：
  在信号链中加入缓冲驱动器，以限制上升沿速率，削减高频成分，降低RE。

• 滤波器：
  添加适当的低通滤波器（如串联小电感或并联小电容），可以减弱上升沿中的高频分量，同时控制RE。

(4) 差分信号设计

• 差分信号的优势：
  差分信号通过相位相反的两根线传输信号，高频成分仍然存在，但因为共模信号相互抵消，对外的辐射发射显著降低，同时保持信号完整性。

(5) PCB布局与接地

• 确保回流路径尽可能短且完整，减小高频信号回路面积。

• 为关键高速信号布置专用地平面，避免耦合干扰。

3. 具体工程实践中的优化方法

在实际设计中，针对上升沿的处理通常需要结合以下方法：

• 选择适当的驱动器：根据实际需求，不要一味追求过快的上升沿速率，优先选用带有可调速率的驱动器。

• 仿真分析：在高速信号设计中，通过工具（如ADS、SPICE、HyperLynx）仿真上升沿速率对SI和RE的影响，找到最佳的边沿速率。

• EMC与SI测试结合：在实验室中，使用信号质量分析仪和EMC测试设备，观察上升沿调整对信号完整性和辐射发射的实际影响。

4. 总结

高速信号的上升沿速率是SI和RE矛盾的关键点。

• 陡峭的上升沿：提高SI，但加剧RE问题。

• 缓慢的上升沿：改善RE，但可能降低SI。