EMC（RE）和SI的矛盾點——高速信號上升沿陡峭性

高速信號的上升沿陡峭性確實是RE和SI之間矛盾的核心點之一，特別是在高頻電路和高速數字信號設計中。這種矛盾主要體現在信號完整性（SI）與輻射發射（RE）的對立需求上：

1. 上升沿陡峭與SI/RE的關系

• 上升沿越陡峭：

• SI（信號完整性）變好：
  上升沿的陡峭性決定了信號的帶寬。更快的上升沿意味著更高的頻率分量參與信號的傳輸，從而更好地還原數字信號的形態（如方波的高對比邊緣），提高接收端的解碼準確性。

• RE（輻射發射）變差：
  上升沿越陡峭，信號中的高頻分量越多，這些高頻分量容易通過傳輸線、連接器和PCB走線輻射出去，導致系統的輻射發射增加，難以滿足EMC標準。

• 上升沿變緩：

• SI變差：
  當上升沿減緩時，信號的高頻分量被削弱，這會導致信號失真（如邊沿模糊、過沖/下沖減少）。特別是在長距離傳輸或高速信號中，接收端可能無法正確識別信號的邏輯電平。

• RE變好：減緩上升沿實際上是對信號進行低通濾波，削弱了高頻分量，從而減少了輻射發射，提高了系統的EMC性能。

方波

• 方波是一種理想信號，理論上包含無窮多的奇次諧波分量，其幅值按1/n1/n1/n（n為諧波階數）衰減。

• 方波的頻譜特性：

• 高頻成分非常豐富，且延伸到很高的頻率。

• 上升沿極為陡峭，對應頻域中的高頻諧波能量較強。

• 在實際電路中，方波會引發較大的輻射發射問題（RE差）。

梯形波

• 梯形波的上升沿相對方波更平緩，是方波經過帶寬限制（例如低通濾波）后產生的結果。

• 梯形波的頻譜特性：

• 諧波能量被大幅削弱，尤其是高頻分量。

• 上升時間的延長等效于信號頻譜的低通濾波，使高頻分量逐漸減少，頻譜帶寬與上升時間成反比。

• 高頻成分減少導致輻射發射（RE）降低。

對比

• 頻譜范圍（帶寬）： 梯形波的頻譜能量集中在較低頻段，而方波頻譜能量分布更廣。

• 信號高頻分量： 方波的高頻成分顯著高于梯形波。

(a)方波時域波形

(a)梯形波時域波形

我們對方波和梯形波的展開系數做對數運算，則兩種波形在頻譜上體現出梯形波的高頻分量明顯比方波更小，其高頻對外輻射也會更小。

方波的包絡，如圖14.8（a）所示，形波的包絡，如圖14.8（b）所示

（a）方波的頻譜包絡

（b）梯形波的頻譜包絡

(1) RE（輻射發射）的影響

• 梯形波的優勢：
  梯形波的上升沿更平緩，高頻諧波成分被顯著抑制。這減少了高頻噪聲的產生，降低了天線效應，使輻射發射問題顯著改善。

• 原因分析： 電磁輻射的強度與信號頻譜中的高頻成分成正比，高頻分量的減少直接降低了電磁輻射。

• 方波的劣勢：
  方波因其陡峭的上升沿，頻譜中高頻分量非常強，容易耦合到PCB走線或連接線中，導致輻射發射顯著增加。

(2) SI（信號完整性）的影響

• 梯形波的劣勢：
  上升沿的平緩性會導致信號過渡時間變長，接收端可能無法準確識別電平的變化，尤其是在高速傳輸中：

• 信號眼圖變差：信號的過渡區域變寬，容易引發碼間干擾（ISI）。

• 信號邊沿模糊：接收端對時鐘的鎖定難度增加，誤碼率提高。

• 方波的優勢：
  陡峭的上升沿提供了清晰的過渡區域，信號完整性較好，接收端可以更準確地識別信號。

2. 高速信號上升沿的設計權衡

如何在SI和RE之間找到平衡點，主要取決于信號的速率要求和系統的EMC設計目標：

(1) 上升沿速率的控制

• 通過驅動能力調節上升沿陡峭性：
  IC廠商通常允許通過調整驅動能力或負載匹配電路，來適當減緩上升沿的陡峭性。例如：

• 調低驅動強度以降低高頻噪聲。

• 對高速信號使用專用驅動器，優化其帶寬和邊沿速率。

• 選用合適的信號速率：
  如果信號速率允許，可以通過降低數據速率（如減少過高的冗余頻率），減小信號高頻成分的比例。

(2) 終端匹配與阻抗控制

• 終端匹配可以同時改善SI和RE：
  通過合理的終端阻抗匹配（如加匹配電阻或RC網絡），可以減少信號反射和振鈴現象，從而降低輻射發射，同時保證信號完整性。

(3) 使用緩沖電路或濾波器

• 緩沖電路：
  在信號鏈中加入緩沖驅動器，以限制上升沿速率，削減高頻成分，降低RE。

• 濾波器：
  添加適當的低通濾波器（如串聯小電感或并聯小電容），可以減弱上升沿中的高頻分量，同時控制RE。

(4) 差分信號設計

• 差分信號的優勢：
  差分信號通過相位相反的兩根線傳輸信號，高頻成分仍然存在，但因為共模信號相互抵消，對外的輻射發射顯著降低，同時保持信號完整性。

(5) PCB布局與接地

• 確保回流路徑盡可能短且完整，減小高頻信號回路面積。

• 為關鍵高速信號布置專用地平面，避免耦合干擾。

3. 具體工程實踐中的優化方法

在實際設計中，針對上升沿的處理通常需要結合以下方法：

• 選擇適當的驅動器：根據實際需求，不要一味追求過快的上升沿速率，優先選用帶有可調速率的驅動器。

• 仿真分析：在高速信號設計中，通過工具（如ADS、SPICE、HyperLynx）仿真上升沿速率對SI和RE的影響，找到最佳的邊沿速率。

• EMC與SI測試結合：在實驗室中，使用信號質量分析儀和EMC測試設備，觀察上升沿調整對信號完整性和輻射發射的實際影響。

4. 總結

高速信號的上升沿速率是SI和RE矛盾的關鍵點。

• 陡峭的上升沿：提高SI，但加劇RE問題。

• 緩慢的上升沿：改善RE，但可能降低SI。