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信号完整性 - 基础概念

信号完整性（Signal Integrity，SI）是指信号在信号线上的质量。信号完整性良好的表现，是指 信号线上的电平能按预期、不多不少地达到预设值。

信号完整性问题产生的原因是，数字电平（0/1）并不是理想的，会受到模电效应的影响。在低速电路中，信号完整性问题不明显，因为互连线对于电信号来说是通畅透明的，模拟电路效应可被忽略；但往高频走（超过 100Mhz 或上升沿小于 1ns），数字电平的电压或电流波形就会开始出现畸变，从而导致接收的信息出现错误。因此，在设计高速信号时，就需要考虑信号完整性。

广义的信号完整性，涵盖了这三类问题：

  • 信号完整性（Signal Integrity，SI）：指信号波形的失真。
  • 电源完整性（Power Integrity，PI）：指供电网络的互连线，相关元件上的噪声。
  • 电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）：指自身产生的电磁辐射（EMI）与受外部的电磁干扰（EMS）。

信号完整性的基本原则​

  • 任何信号互连，都是由信号路径和返回路径构成的传输线。信号在传输线上前进的每一步，都会感受到瞬时阻抗。想要让信号传输质量最佳，则应让瞬时阻抗恒为常量，比如让传输线有均匀的横截面。
  • 每一路信号都有返回路径，而非仅仅是接地。可通过分析返回路径去解决问题。
  • 对于电容而言，变化快的边沿，会使其有很低的阻抗。此电容不仅指外部电容，也包括传输线上的寄生电容。
  • 对于电感而言，只要电流或磁力线匝数发生突变，其两端就会产生电压，有可能是导致反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷、电磁干扰的根源。当流经接地回路电感上的电流发生突变时，在接地回路上产生的电压称为地弹，是造成开关噪声和电磁干扰的原因。
  • 信号带宽指的是有效正弦波分量的最高频率值（参照的是同频率方波）。互连模型的带宽指的是，在此最高正弦频率上，模型仍能准确预估互连的实际性能。
  • 大多数情况下，信号完整性的公式计算出来都是定义值或近似值。
  • 有损传输线引起的问题是上升边沿退化。由于趋肤效应和截止损耗，信号的损耗会随着频率的升高而增大。

信号完整性的基本问题​

广义的信号完整性归根到底，可分为四类问题：

  • 单一网络的信号失真
    • 反射（瞬时阻抗突变导致）
    • 信号质量问题（频率相关损耗造成互连线中的上升沿退化）
    • 时序错误（互连线电气特性差异、或长度差异引起的多个信号之间的时延差错位，会导致差分信号失真）
  • 两个或多个网络之间的串扰（包括电源弹和地弹两种特殊形式）
  • 电源和地分配中的轨道塌陷（PI）
  • 来自整个系统的电磁干扰和辐射（EMC）

参考与致谢​

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