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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

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