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信號完整性研究：什么是信號完整性?

2014/09/13

Lee

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如果你發(fā)現(xiàn)，以前低速時代積累的設計經(jīng)驗現(xiàn)在似乎都不靈了，同樣的設計，以前沒問題，可是現(xiàn)在卻無法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件設計中最核心的問題：信號完整性。早一天遇到，對你來說是好事。

在過去的低速時代，電平跳變時信號上升時間較長，通常幾個ns。器件間的互連線不至于影響電路的功能，沒必要關心信號完整性問題。但在今天的高速時代，隨著IC輸出開關速度的提高，很多都在皮秒級，不管信號周期如何，幾乎所有設計都遇到了信號完整性問題。另外，對低功耗追求使得內核電壓越來越低，1.2v內核電壓已經(jīng)很常見了。因此系統(tǒng)能容忍的噪聲余量越來越小，這也使得信號完整性問題更加突出。

廣義上講，信號完整性是指在電路設計中互連線引起的所有問題，它主要研究互連線的電氣特性參數(shù)與數(shù)字信號的電壓電流波形相互作用后，如何影響到產品性能的問題。主要表現(xiàn)在對時序的影響、信號振鈴、信號反射、近端串擾、遠端串擾、開關噪聲、非單調性、地彈、電源反彈、衰減、容性負載、電磁輻射、電磁干擾等。

信號完整性問題的根源在于信號上升時間的減小。即使布線拓撲結構沒有變化，如果采用了信號上升時間很小的IC芯片，現(xiàn)有設計也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。

下面談談幾種常見的信號完整性問題。

反射：

圖1顯示了信號反射引起的波形畸變?？雌饋砭拖裾疋彛贸瞿阒谱鞯碾娐钒澹瑴y一測各種信號，比如時鐘輸出或是高速數(shù)據(jù)線輸出，看看是不是存在這種波形。如果有，那么你該對信號完整性問題有個感性的認識了，對，這就是一種信號完整性問題。

很多硬件工程師都會在時鐘輸出信號上串接一個小電阻，至于為什么，他們中很多人都說不清楚，他們會說，很多成熟設計上都有，照著做的?；蛟S你知道，可是確實很多人說不清這個小小電阻的作用，包括很多有了三四年經(jīng)驗的硬件工程師，很驚訝么?可這確實是事實，我碰到過很多。其實這個小電阻的作用就是為了解決信號反射問題。而且隨著電阻的加大，振鈴會消失，但你會發(fā)現(xiàn)信號上升沿不再那么陡峭了。這個解決方法叫阻抗匹配，奧，對了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信號完整性問題中占據(jù)著極其重要的地位。

串擾：

如果足夠細心你會發(fā)現(xiàn)，有時對于某根信號線，從功能上來說并沒有輸出信號，但測量時，會有幅度很小的規(guī)則波形，就像有信號輸出。這時你測量一下與它鄰近的信號線，看看是不是有某種相似的規(guī)律！對，如果兩根信號線靠的很近的話，通常會的。這就是串擾。當然，被串擾影響的信號線上的波形不一定和鄰近信號波形相似，也不一定有明顯的規(guī)律，更多的是表現(xiàn)為噪聲形式。串擾在當今的高密度電路板中一直是個讓人頭疼的問題，由于布線空間小，信號必然靠得很近，因此你比須面對它，只能控制但無法消除。對于受到串擾的信號線，鄰近信號的干擾對他來說就相當于噪聲。

串擾大小和電路板上的很多因素有關，并不是僅僅因為兩根信號線間的距離。當然，距離最容易控制，也是最常用的解決串擾的方法，但不是唯一方法。這也是很多工程師容易誤解的地方。更深入的討論，我會在后續(xù)文章中陸續(xù)推出。

軌道塌陷：

噪聲不僅存在于信號網(wǎng)絡中，電源分配系統(tǒng)也存在。我們知道，電源和地之間電流流經(jīng)路徑上不可避免存在阻抗，除非你能讓電路板上的所有東西都變成超導體。那么，當電流變化時，不可避免產生壓降，因此，真正送到芯片電源管腳上的電壓會減小，有時減小得很厲害，就像電壓突然產生了塌陷，這就是軌道塌陷。軌道塌陷有時會產生致命的問題，很可能影響你的電路板的功能。高性能處理器集成的門數(shù)越來越多，開關速度也越來越快，在更短的時間內消耗更多的開關電流，可以容忍的噪聲變得越來越小。但同時控制噪聲越來越難，因為高性能處理器對電源系統(tǒng)的苛刻要求，構建更低阻抗的電源分配系統(tǒng)變得越來越困難。你可能注意到了，又是阻抗，理解阻抗是理解信號完整性問題的關鍵。

信號完整性問題涉及面比較廣，這里只是簡單介紹幾種現(xiàn)象，希望這篇文章能讓你對信號完整性有個初步的認識。信號完整性，將是每個硬件工程師的必修課。早一天接觸，早一天受益。