影响信号完整性的主要原因分析

[导读]信号完整性(Signal Integrity：简称SI)，指信号线上的信号质量，是信号在电路中能以正确时序和电压做出响应的能力。

信号完整性是指信号在传输路径上的质量，传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒质。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是系统设计中多种因素共同引起的。

信号完整性(英语：Signal integrity, SI)是对于电子信号质量的一系列度量标准。在数字电路中，一串二进制的信号流是通过电压(或电流)的波形来表示。然而，自然界的信号实际上都是模拟的，而非数字的，所有的信号都受噪音、扭曲和损失影响。在短距离、低比特率的情况里，一个简单的导体可以忠实地传输信号。而长距离、高比特率的信号如果通过几种不同的导体，多种效应可以降低信号的可信度，这样系统或设备不能正常工作。信号完整性工程是分析和缓解上述负面效应的一项任务，在所有水平的电子封装和组装，例如集成电路的内部连接、集成电路封装、印制电路板等工艺过程中，都是一项十分重要的活动。

一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电路为基础，研究数字电路的模拟特性。主要包含两个方面：信号的幅度(电压)和信号时序。与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源：1、单一网络的信号质量2、多网络间的串扰3、电源与地分配中的轨道塌陷4、来自整个系统的电磁干扰和辐射当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题。信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。信号完整性和低功耗在蜂窝电话设计中是特别关键的考虑因素，EP谐波吸收装置有助三阶谐波频率轻易通过，并将失真和抖动减小至几乎检测不到的水平。随着集成电路输出开关速度提高以及PCB板密度增加，信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作。如何在PCB板的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已经成为当今PCB设计业界中的一个热门课题。

信号完整性(Signal Integrity：简称SI)，指信号线上的信号质量，是信号在电路中能以正确时序和电压做出响应的能力。

当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端时，该电路就有很好的信号完整性。信号完整性问题包括误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等，会造成时钟间歇振荡和数据出错。

设计环节中，信号完整性是必不可少的考虑因素，当然，在信号测试和调试环节，我们也应对信号完整性问题引起重视，否则会引起测量结果误差，影响工程师判断，调试和改进电路的方向。

在基础的电子信号测量中，我们通常会选用示波器来对信号进行测量。因此，如何选择一款有利于信号完整性测量的示波器尤为重要。

广义上讲，信号完整性(Signal Integrity，SI)包括由于互连、电源、器件等引起的所有信号质量及延时等问题。数字信号在传输的过程中，由于阻抗匹配、串扰等原因导致信号变差。

数字信号完整性就是研究信号在传输过程中的保真度问题。

1、线电阻的电压降的影响——地电平(0电平)直流引起的低电平提高

图中虚线为提高的情况。提高幅度与IC的功耗大小、IC密度、馈电方式、地线电阻(R) 、馈电的地线总电流有关。 ΔV地= ΔI× ΔR

2、信号线电阻的电压降的影响

a) IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一IC的输入脚，输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个低电平的抬高，其值为ΔVOL=IOL×R 。见图中的上面一条虚线。

显而易见，低电平的抬高与印制导线电阻值及输出低电平电流有关，如下图所示： B点的低电平比A点的低电平高

注意:当IC输出脚为低电平时，如果此器件不是驱动器，而是一般器件，则由于输出低电平电流太大，远大于器件手册给出的值，输出三极管将退出饱和区，进入工作区，使输出低电平抬高很多。如下图中上面一条虚线所示:

决定因素：端接方式

端接电阻大小

输出管饱和深度

输出管β值

b) IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一个IC的输入脚，输出高电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个高电平的降低，其值为ΔVOH=IOH× R，见下图中高电平上的下面虚线：

IOH由下列因素决定：端接方式、端接电平、端接电阻大小

R由下列因素决定：线宽、线厚、线长

显而易见，高电平的降低与印制导线或电缆电阻值及输出高电平电流有关，如下图所示：

B点的高电平比A点的高电平要低

注意: IC输出脚为高电平时，如果此器件不是驱动器，而是一般器件，则由于输出高电平电流太大，远大于器件手册给出的值时，输出管也会退出饱和区，进入工作区，使输出高电平降低很多。如下图中下面一条虚线所示：

3、电源线电阻的电压降的影响

IC的电源电压(如+3.3V)，如果系统中存在差值，当小于+3.3V时，输出高电平将产生一个下降值，如上图中高电平上的虚线所示:

由于系统电源有集中电源和分散的电源模块之分，此差值不同，由于IC功耗的大小、IC密度、馈电方式、电源线的馈电电阻值以及电源电流值，引起一个 ΔVCC (ΔVCC =ΔI×ΔR)

以上原因，使TTL信号波形变得离理想波形很远了。低电平大为提高了，高电平也大为降低了。对这些值若不严加控制，对系统工作的稳定可靠工作是不利的。此外，结温差，即不同功耗的器件的P-N结的温度不同，还会影响高低电平及门槛电平的变化也会影响系统工作。

除上面所说的直流成分之外，更为重要的是系统是以极高频率在工作，也就是说，系统内的器件、导线有各种频率的，各种转换速率的信号在动作、传递。首先是相互之间的信号电磁藕合 (串扰) 和信号在不同特性阻抗传输路径上的反射，以及电源，地电平由于IC高频转换引起电流尖峰电平，使TTL信号波形变得更坏。

4、转换噪声

由于系统工作时，器件以高频转换，造成供电系统上有高频率变化的电流尖峰，而供电的电源线路和地线路都可看成是很小的电阻、电感、电容元件。电流尖峰值太大，在它们上面会产生较大的交流尖峰电压，其电源上的尖峰电压基本上会串扰到高电平上，而地电平上的尖峰电压会串扰到低电平上，如下图所示：IC内部同样存在这种尖峰电压。