深入理解信号完整性理论方面的基础知识

前言

100 MHz 时钟产生后，从信号驱动器芯片输出的两种波形：没有外加引出连线（平滑曲线）的情况和输出端连接一段2 in长的PCB线条（振铃曲线）的情况。

纵轴每格表示1 V，横轴每格表示2 ns

一、信号完整性、电源完整性与电磁兼容的含义

对于大多数电子产品而言，当时钟频率超过100 MHz或者上升边小于1 ns时，信号完整性效应就变得重要了，通常将这种情况称为高频领域或高速领域（区别与高速信号的定义）。

从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中互连线引起的所有问题。主要研究当互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时，其电气特性如何影响产品的性能。 

可以将所有这些问题归结为以下三类。在这三类问题之间也存在着相当大的重叠：

1.信号完整性（Signal Integrity，SI）,主要指信号波形的失真；

2.电源完整性（Power Integrity，PI）,主要指为有源器件供电的互连线及各相关元器件的噪声；

3.电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）,主要指产品自身产生的电磁辐射和由外场导入产品的电磁干扰。

在信号完整性领域中，通常信号完整性问题与噪声问题或者时序问题有关。这两类问题都可能引起接收端的误触发或者误码。 例如，分配一些时间给门翻转、将信号传送至输出门、等待时钟进入下一级门、等待门读出输入端的数据等。互连线严重影响时序预算，这里主要讨论由互连线产生的上升边失真对抖动的影响。

许多信号完整性噪声问题，如振铃、发射、近端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源弹、衰减和容性负载等。这些都是互连线的电气特性对数字信号波形造成的不同影响。 

以上列出的问题都和如下的6种类型的问题之一有关：

1.单一网络的信号失真；

2.互连线中频率相关损耗引起的上升边退化；

3.两个或多个网络之间的串扰；

4.作为串扰特殊形式的地弹和电源弹；

5.电源和地分配中的轨道坍陷；

6.来自整个系统的电磁干扰和辐射。

二、单一网络的信号完整性

互连线引起单一网络上信号失真的共性问题分为三个方面： 

第一个方面是反射 ；

第二个方面是信号质量问题； 

第三个方面是时序；

反射：

引起反射的唯一原因是信号遇到的瞬时阻抗发生改变。 

任何改变横截面或者网络几何结构的特征都会改变信号所感受到的阻抗。引起阻抗变化的所有特征称为突变。 

所感受到的阻抗发生改变的情况来自以下几点：

1.互连线末端；2.线宽变化；

3.层转换；4.返回路径平面上的间隙；

5.接插件；

6.路由拓扑的改变，比如分支线、T行线或桩线。

信号质量问题：

导线和介质中与频率相关的损耗，所造成信号的高频损耗要比低频损耗更大，其结果是在传播中信号上升边将会被拉长。 

这个上升边退化到接近信号的单位间隔（Unit  interval,UI）时，1比特的信息将会泄漏到下一个甚至下下个比特，这种效应称为符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI）。在数据率或更高的高速串行链路中，它将是引起问题的主要原因。

时序：

两个或者多个信号路径之间的时延差称为错位（skew）。错位是两条或者多条网络之间时延的差异。为了控制错位，主要依靠匹配网络之间的长度。另外，网络之间的介电常数发生局部变化（如叠层中的玻璃纤维分布）也会影响时延，这个问题比较难以控制。 

当信号线和时钟线之间存在超出预期的错位时，就可能产生误触发和逻辑错误。 

当差分对的两条线之间存在错位时，部分差分信号会转变为共模信号，并造成差分信号失真。

三、串扰

网络之间的容性耦合和感性耦合，为有害噪声从一个网络到达另外一个网络提供了路径。

同时，也可以将其描述为从攻击网络到受害网络边缘电磁场的作用。 

两种不同情况下会发生串扰：

1.互连线为均匀传输线，电路板上大多数线条属于这种情况；

2.互连线为非均匀传输线，如接插件和封装的场合。

这两种效应在静态线的近端和远端的叠加方式是不一样的。

当信号经过接插件且多个信号共用的返回路径是一个引脚而不是一个平面时，感性耦合噪声比容性耦合噪声增加得更多。当感性耦合噪声处于主导地位时，通常把这种串扰归为同时开关噪声（Simultaneous Switching Noise，SSN）。这类噪声是由耦合电感（即所谓的互感）产生的。 

开关噪声大多发生在接插件、封装和过孔处。地弹实际上是同一个导体上返回电流重叠而出现的一种特殊情况。

四、轨道塌陷噪声

当通过电源路径和地路径的电流发生变化时，如芯片翻转或者内核中的门翻转时，在电源路径和地路径之间的阻抗上产生一个压降，这个压降意味着供给芯片的电压减小了，称为电源与地之间的电压降低或者坍陷。

微处理器电源轨道上的电压变化

五、电磁干扰

电磁干扰问题包括3个方面：噪声源、辐射传播路径和天线。 

两种常见的电磁干扰源：

1.一部分差分信号转换成共模信号，最终在外部的双绞电缆线上输出；2.电路板上的地弹在外部单端屏蔽线上产生共模电流。附加的噪声可以由内部产生的辐射泄漏溢出屏蔽罩而引起。

铁氧体扼流圈的剖视图。

铁氧体通常用在电缆周围，

以减小类似共模电流这种主要的辐射源。

六、信号完整性的两个重要推论

第一个重要推论：所有信号完整性问题都是以电流或者电压的变化速度来衡量的，通常指的是dI/dt或者dV/dt，上升边越短意味着dI/dt或者dV/dt越大。随着上升边缩短，噪声问题必然增加，并且更难以解决。 

第二个重要推论：解决信号完整性的有效办法在很大程度上基于对互连线阻抗的理解。把互连线的物理设计与互连线阻抗联系起来，在设计过程中就能消除许多信号完整性问题。

七、电子产品的趋势

时钟频率越来越高的趋势都是由同一种技术——光刻法所引起的。由于能够生产更小尺寸的晶体管门沟道长度，晶体管的开关速度提高了。 

沟道长度越短，电子与空穴移动距离就越短，且能在更短时间内通过门并引起状态转变。当提到0.18 μm 或 0.13 μm 的技术阶段时，实际上是指能够制造的最小沟道长度。

一个时钟周期所需的最小时间受该周期内需要执行的所有操作的限制。通常制约最小时间的因素有3个：

1.所有开关门必要的固有开关时间；

2.信号经系统互连线传播到所有开关门的时间；

3.所有门读取输入信号所需的建立和保持时间。

八、仿真

三种电气仿真工具可用来预估互连线对信号行为造成的模拟效应。 

电磁仿真或3D全波-场求解器。在时域或频率中，使用所设计的几何边界条件和材料属性对麦克斯韦方程组进行求解，并仿真出各个位置电场和磁场； 

电路仿真器。在时域或频域中，对各种电路元件对应的微分方程进行求解，并运用基尔霍夫电流、电压关系来预估各个电路节点处的电压和电流。这些通常都是与SPICE兼容的仿真器； 

数值仿真工具。先综合输入波形，再依据互连线的S参数模求解其冲击响应，然后采用卷积积分或其他数值方法计算每个端口的输出波形。

1.电磁仿真：

关于电磁仿真，应该把信号完整性问题归结为麦克斯韦方程组。这4个方程描述了导体和电介质与电场和磁场之间的相互作用。归根到底，信号只是在传播电场和磁场。当仿真电场和磁场本身时，互连线和所有无源元件必须转换为与其几何结构和材料特性相关的导体和介质。

在时域和频域中的麦克斯韦方程组描述了

在时间和空间上电磁场如何与材料相互作用

2.电路仿真：
用电压和电流表示信号，将各种导体和电介质转换成电阻、电容、电感和传输线等基本电路元件及其之间的耦合关系。这种将物理结构转换为电路元件的过程称为建模。 

电路仿真器未能考虑电磁效应，如电磁兼容问题、谐振和非均匀波传播等。

最常用的电路仿真器为SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），是一种基于晶体管的几何结构和材料特性来预估晶体管性能的工具。

左图为长约5 cm的典型示波器探针的电路模型；

右图为无杂波的上升边为1 ns的信号的仿真波形结果。

其中，振荡是由探针的附加电感引起的。

3.数值仿真工具：

MATLAB，Python，Keysight PLTS，以及Teledyne Lecroy SI Studio等数学仿真器是仿真工具的示例，可以根据输入波形的综合来预估输出波形，分析它们如何与S参数互连线模型进行交互。 

与电路仿真器相比，它们的主要优点在于运算速度。许多这类仿真器使用专门的仿真引擎，并且对特殊类型的波形，例如正弦波、时钟或非归零数据模式等进行了优化。

九、模型与建模

建模是指为待仿真的元器件创建一种电气表征与描述模型。有源器件（如晶体管和输出驱动器）的模型与无源元件（如所有互连线和分立元件）的模型是完全不同的。 

有源器件的SPICE模型要用到理想源和无源元件的组合，或基于晶体管几何结构的专用晶体管模型，所以工艺技术改变时也能很容易地按比例改变晶体管的行为。

IBIS 是定义输入或输出驱动器的V-I和V-t 特性响应的一种格式。行为仿真器提取有源器件的V-I和V-t 曲线，并仿真出这些曲线受传输线和表示互连线的集总元件电阻器（R）、电感器（L）、电容器（C）影响时的变化程度。

创建互连线的精确电路模型有两种基本方法：计算和测量。 

通过计算来创建模型称为分析，通过测量来创建模型称为表征。

两个贴片式0805电阻器及其等效电路模型

将预估性能或电气特性的近似方案分成如下3级：

•经验法则 

•解析近似 

•数值仿真

十、三种测量技术

1.阻抗分析仪

阻抗分析仪在频域中工作，一般有4个接头，其中第一对接头产生流过被测元器件（Device Under Test，DUT）正弦波恒定电流，第二对接头测量被测元器件上的正弦电压。

2.矢量网络分析仪（Vector-Network Analyzer，VNA）

矢量网络分析仪也在频域中工作。每个接头或端口发出一个正弦电压，其频率范围从几kHz到50 GHz，在每个频率点，测量入射电压幅度与相位及反射电压的幅度和相位。

3.时域反射计（Time-Domain Reflectometer，TDR）

时域反射计与矢量网络分析仪相似，但工作在时域中。它发射边沿快速上升的阶跃信号，上升边一般为35~150 ps，然后测量反射的瞬时幅度。另外，利用反射电压提取被测元器件的阻抗。

总结

整个信号完整性理论方面的基础知识都在这里有了罗列。前面的基础概念知识，建议深入理解，后面的建模和仿真，特别是数值仿真工具，可能是一个趋势。

编辑：黄飞