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信號(hào)完整性研究：什么是信號(hào)完整性?

2014/09/13

Lee

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如果你發(fā)現(xiàn)，以前低速時(shí)代積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)在似乎都不靈了，同樣的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)中最核心的問題：信號(hào)完整性。早一天遇到，對(duì)你來說是好事。

在過去的低速時(shí)代，電平跳變時(shí)信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng)，通常幾個(gè)ns。器件間的互連線不至于影響電路的功能，沒必要關(guān)心信號(hào)完整性問題。但在今天的高速時(shí)代，隨著IC輸出開關(guān)速度的提高，很多都在皮秒級(jí)，不管信號(hào)周期如何，幾乎所有設(shè)計(jì)都遇到了信號(hào)完整性問題。另外，對(duì)低功耗追求使得內(nèi)核電壓越來越低，1.2v內(nèi)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(hào)完整性問題更加突出。

廣義上講，信號(hào)完整性是指在電路設(shè)計(jì)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(hào)的電壓電流波形相互作用后，如何影響到產(chǎn)品性能的問題。主要表現(xiàn)在對(duì)時(shí)序的影響、信號(hào)振鈴、信號(hào)反射、近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、開關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負(fù)載、電磁輻射、電磁干擾等。

信號(hào)完整性問題的根源在于信號(hào)上升時(shí)間的減小。即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有變化，如果采用了信號(hào)上升時(shí)間很小的IC芯片，現(xiàn)有設(shè)計(jì)也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。

下面談?wù)剮追N常見的信號(hào)完整性問題。

反射：

圖1顯示了信號(hào)反射引起的波形畸變。看起來就像振鈴，拿出你制作的電路板，測(cè)一測(cè)各種信號(hào)，比如時(shí)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(duì)信號(hào)完整性問題有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)了，對(duì)，這就是一種信號(hào)完整性問題。

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

串?dāng)_：

如果足夠細(xì)心你會(huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)對(duì)于某根信號(hào)線，從功能上來說并沒有輸出信號(hào)，但測(cè)量時(shí)，會(huì)有幅度很小的規(guī)則波形，就像有信號(hào)輸出。這時(shí)你測(cè)量一下與它鄰近的信號(hào)線，看看是不是有某種相似的規(guī)律！對(duì)，如果兩根信號(hào)線靠的很近的話，通常會(huì)的。這就是串?dāng)_。當(dāng)然，被串?dāng)_影響的信號(hào)線上的波形不一定和鄰近信號(hào)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?dāng)_在當(dāng)今的高密度電路板中一直是個(gè)讓人頭疼的問題，由于布線空間小，信號(hào)必然靠得很近，因此你比須面對(duì)它，只能控制但無法消除。對(duì)于受到串?dāng)_的信號(hào)線，鄰近信號(hào)的干擾對(duì)他來說就相當(dāng)于噪聲。

串?dāng)_大小和電路板上的很多因素有關(guān)，并不是僅僅因?yàn)閮筛盘?hào)線間的距離。當(dāng)然，距離最容易控制，也是最常用的解決串?dāng)_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(huì)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(hào)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)體。那么，當(dāng)電流變化時(shí)，不可避免產(chǎn)生壓降，因此，真正送到芯片電源管腳上的電壓會(huì)減小，有時(shí)減小得很厲害，就像電壓突然產(chǎn)生了塌陷，這就是軌道塌陷。軌道塌陷有時(shí)會(huì)產(chǎn)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(guān)速度也越來越快，在更短的時(shí)間內(nèi)消耗更多的開關(guān)電流，可以容忍的噪聲變得越來越小。但同時(shí)控制噪聲越來越難，因?yàn)楦咝阅芴幚砥鲗?duì)電源系統(tǒng)的苛刻要求，構(gòu)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(hào)完整性問題的關(guān)鍵。

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