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信号与电源完整性 - 基础概念

这世界上有两类硬件工程师，一类已经遇到了信号完整性问题，另一类即将遇到信号完整性问题。

什么是信号完整性​

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，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，所以受到信号完整性问题影响不大；但是越往高频走（超过 100Mhz 或上升沿小于 1ns），数字电平的电压或电流波形会出现畸变，从而导致接收的信息出现错误。所以，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，还包含电源完整性（Power Integrity，PI）和电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）。

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。

基本问题​

广义的信号完整性归根到底，分 4 个类型的问题：

  1. 单一网络的信号失真（包括频率相关损耗造成互连线中的上升沿退化）
  2. 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）
  3. 电源和地分配中的轨道塌陷
  4. 来自整个系统的电磁干扰和辐射

参考与致谢​

文章作者：Power Lin
原文地址：https://wiki-power.com
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