信号完整性背景

信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在 7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个 20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是 IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。在高速 PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近 0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。

信号完整性含义

信号完整性(Signal Integrity)简称 SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达 IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:

（1）延迟。延迟是指信号在 PCB 的导线上以有限的速度传输，从驱动端到接收端存在的传输延时。信号的延时会对系统的时序产生影响，在高速 PCB 设计中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

（2）反射。当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使得信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。

（3）串扰。由于 PCB 板上的任何两个器件或导线之间都存在互感和互容，当一个器件或导线上的信号发生变化时，其变化会通过互感和互容影响其它器件或导线。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。

（4）同步切换噪声(SSN)。当 PCB 板上的众多数字信号同步进行切换时(如 CPU 的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声。在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。SSN 和地弹的强度取决于集成电路的 IO 特性、PCB 板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在 PCB 板上的布局和布线方式。

（5）电磁干扰（EMI）。分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个网络上的信号耦合到另一个网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个网络。在高速 PCB 及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其它子系统的正常工作。

信号完整性发展方向

随着电子技术发展和集成电路技术的不断进步，数字系统的时钟速率越来越高，信号边缘速率越来越快，PCB 系统已不再像以往设计中仅仅只是支撑电子元器件的平台，而变成了一个高性能的系统结构。信号频率高于 100MHZ 的电子系统设计极为普遍，从电气性能的角度看，在当今的高速世界里，器件封装、印刷电路板(PCB)的线迹互连和板层特性对于信号不再是畅通和透明。如今的高速 PCB设计从单一的信号完整性设计转变为包括信号完整性设计(SI)，电源完整性设计（PI）和电磁兼容设计(EMC)的三者的协同设计。与低速情况下的数字设计相比，高速数字电路设计着重强调了无源电路元件的特性，这些无源元件可能包括那些组成一个数字产品的连线、电路板、IC 封装等。当速度提高时，它们会直接影响电气特性。高速数字电路设计研究无源元件对信号传播的影响(振荡和反射)、信号间的相互作用(串扰)以及和外界的相互作用(电磁干扰)。

四种电抗类型

高速数字电路与低速数字电路元件区别主要体现在四个概念，它们是电容、电感、互容和互感。这四个概念是描述和理解数字电路元件在高速电路中的特性的基础。在高速数字电路中通常使用阶跃响应来研究电容和电感。通过观察阶跃响应并运用以下三个经验法则，可描述出被测设备的特征：

（1）电阻器显示的是一个平坦的阶跃响应，在计时起点，输出电压上升到一个固定值并保持不变；

（2）电容器显示的是一个上升的阶跃响应，在计时起点，阶跃响应从零开始，但随后上升为一个满幅值的输出；

（3）电感器显示的是一个下降的阶跃响应，在计时起点，输出立即升至满幅值，随后逐渐衰减到零。

阻抗是描述互连线的所有重要特性的关键术语，知道了阻抗和传播时延也就知道了它几乎所有的特性。阻抗是解决信号完整性问题所使用方法的核心。