一文读懂信号完整性和电源完整性

高速先生平台好几次的“民意”调查，电源话题的呼声都是高居榜首。顺应大家的要求，电源话题也就正式开篇了。有人说，上周不是已经发了一篇“电流充放电”的文章了吗？呵呵，顺序上的一点点小失误，权当电源系列的暖场吧。

对我自己来说，这一年的工作有点小小的困惑，好像用于交流的时间多过用于技术研究的时间。当然，交流碰撞出来的火花，也会给技术带来更多的思路。这不，在一次培训中，就有朋友说，你怎么用一句话来说清楚什么是信号完整性和电源完整性呢？

我当时想了想，做出了这样的回答：

信号完整性就是解决发送1、接收就是1；而发送0，接收就是0的问题！

电源完整性呢，就是解决发出来1V（nV），到了用电端，还是1V（nV）的问题，顶多允许5%的误差。

数字信号完整性问题

虽然是电源的开场白，我们还是总结下信号的完整性。经常和我交流高速设计的朋友，都知道我有一个经典的比喻，用大学里面的三门课来解释什么是信号完整性：

《数电》《模电》《电磁场》，这三门课只要是电子相关专业，在大学的时候都会接触。数电主要讲0和1之间的逻辑关系，模电关心模拟信号的波形，电磁场从更高的维度来解释电路工作的原理。

低速时代，数电就是数电，数字信号的好处就是通过“0”和“1”码流传递信息，抗干扰能力强。工程师就不用考虑噪声，专心解决电路功能和逻辑的问题。

高速的第一阶段，从模电的角度来解释数电的问题。也就是下图我们见过无数遍的公式，由于0、1码对应的载体，也就是“波形”其实是“模拟”的。进入这个阶段之后，由于传输线的分布参数效应，接收端收到的0、1码由于“波形”的畸变，判断出错，所以工程师得从模电的角度，来关心数字信号的过冲，下冲，反射，串扰，振铃等问题。

高速的第二阶段，从微波电磁场的角度来解释数电的问题。通常认为信号到了GHZ以上，由于导体的趋肤效应更加明显，介质漏电效应开始突出，传输线的损耗变得不可忽视。同时数字信号的波长进一步减少，也来到传统微波电磁场所关心的领域。于是这个阶段研究数字信号的工具和方法，基本和微波射频没什么区别。

所以，考虑数字信号完整性的最重要的一个前提就是信号的上升时间，当然另一个说法就是信号的波长。只要上升时间或者说波长没有到需要考虑信号完整性问题的时候，数字就是数字，不需要过度设计。

电源完整性问题

那么，考虑电源完整性问题最重要的前提是什么呢？当然各方面因素会很多，让我来总结的话，我会说是电流的大小。

电源从VRM传到用电的IC，不管中间的路径是走线，还是铜皮，或者是电缆，电阻是必然存在的物理量。我们假设传输1伏的电压，路径上有5毫欧的电阻，流过1安培电流，路径上损耗的电压就是5毫伏。对于1伏的电压来说，5毫伏可以忽略不计。但是如果传输10安培电流呢，路径上损耗的电压就是50毫伏，这个对于1伏的电压来说已经不能忽略不计了。并且路径上损失的电压最终也会转成热能，带来散热的问题。这个也就是我们通常说的电源的直流问题，包含了压降、载流、温升、散热等领域。

同样的，电源从VRM传到用电的IC，中间路径不可避免会有电感存在。而IC端用电，电流也不是一个恒定值。变化的电流△I，在路径上的电感就是感应出△V，这也就是通常所说的电源噪声。电流越大，一般来说对应的△I也就可能越大，一定的电感下，感应出的△V也就越大。这个也就是我们通常说的电源的交流问题，包含了噪声、纹波等。

所以，影响电源完整性考虑的最大因素，我认为是电流大小，电流小的时候，设计难度不大，当电流增大时，电源设计的问题变得越来越难。

而现在的数字电路设计，电流已经在变得越来越大。单轨道电流几十安培甚至上百安培已经经常出现，电源完整性的话题也就被业内越来越重视。高速先生会分两个系列来“围殴”电源问题，首先我们来讨论电源的直流问题，大体的规划如下：