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信号完整性 - 基础概念

信号完整性（Signal Integrity, SI）是指信号在传输线上的质量。信号完整性良好的表现，是指 传输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，真实世界的数字电平（0/1）并不是理想的，信号本身是个模拟量。在低速电路中，信号完整性问题并不明显，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；但如果往高速走（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与发出的信息差别太大，出现错误。因此，在设计高速电路时，就需要考虑信号完整性问题。

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。
  • 电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility, EMC）：电子设备在电磁场中能够正常工作的能力，不会受到电磁场干扰或对其他设备造成电磁干扰。

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，并非仅仅是接地。可通过分析返回路径去解决问题。
  • 对于电容而言，变化较快的边沿，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，只要电流大小或磁力线匝数发生突变，其两端就会产生电压，将有可能导致反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷、电磁干扰等。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，可分为以下四类问题：

  • 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

原文地址：https://wiki-power.com/
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