老司机教你信号完整性

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什么是数字信号？

数字信号与模拟信号不同，数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号。简而言之，数字信号就是将模拟信号在坐标上的一些点的坐标记录下来（这个过程就是“采样”），以确切的数字来进行传输。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0 和1代表)的波形，称为“二进制信号”。

• 实际数字电路中的信号与理想的数字信号存在差异

• 很多原因会导致真实信号与理想数字信号的差异以及信号完整性问题
  信号完整性就是信号完整未受损，信号在标准的时间内，具有稳定的跳变以及有效的逻辑电平

什么是信号完整性?

广义上讲，信号完整性（Signal Integrity，SI）包括由于互连、电源、器件等引起的所有信号质量及延时等问题。数字信号在传输的过程中，由于阻抗匹配、串扰等原因导致信号变差。

数字信号完整性就是研究信号在传输过程中的保真度问题。

造成的常见的信号完整性问题的原因是什么？

1、阻抗不匹配

2、信号串扰

什么是串扰?

串扰是一种失真，主要来自与数据码型无关的幅度干扰。由于耦合效应，一个干净的信号（我们称为“受扰信号”）可能受到“干扰”信号的串扰影响。干扰信号会使得受扰信号发生变形，并让受扰信号的眼图闭合。工程师希望信号是串扰极小或完全没有串扰的干净信号，如此才能获得张开的眼图，并进行准确无误的数据传输。如果受扰信号中存在串扰，那么这种干扰会导致眼图闭合，从而使得设计裕量变得很小甚至测量结果错误（如下图）。串扰还会降低受扰信号的垂直幅度和水平抖动性能，导致通信链路中的互操作性问题愈发严重。

有串扰和没有串扰的受扰信号眼图。串扰会导致眼图闭合，从而降低设计裕量并可能造成设计的性能达不到技术指标。

串扰是怎么产生的？

随着技术的飞速发展， 而 电子产品的尺寸越来越小，数据的传输速度却越来越高。普通消费类电子产品的PCB电路板很多至少是四层、六层甚至更多层。当信号沿传输线传播时，信号路径和返回路径之间将产生电力线，围绕在信号路径周围就会产生非常丰富的电磁场。这些延伸出去的场也称为边缘场，边缘场将会通过互容与互感转化为另一条传输线上的能量。而串扰的本质，其实就是传输线之间的互容与互感。

串扰可以分成两部分，一部分与信号传输方向相同，传至接收端方向，我们把它叫做远端串扰或者前向串扰。另一部分与信号传输方向相反，传至发送端方向，我们把它叫做近端串扰或者后向串扰。

近端串扰和远端串扰是由传输线的物理结构而决定的，显然在信号的传递过程中近端会首先受到干扰，并且持续的时间比较长，达到传输线的2倍；远端串扰需要经过一段传输线的延时之后才会受到干扰。下图是我们通过仿真获得的近端串扰和远端串扰的波形图。

近端串扰和远端串扰的波形图

串扰与哪些因素有关？

影响串扰的设计因素主要有以下几个方面：

线间距：信号路径之间的距离越近，串扰越明显，随着线间距的增大，无论是近端还是远端串扰都将减小，当线间距大于等于线宽的3倍时串扰已经很小。三倍线宽是工程师们信心的来源，在三倍线宽条件下，串扰基本可以忽略。

信号变化程度：信号瞬间变化会带来明显磁场效应。信号的上升沿/下降沿越陡峭，串扰越明显。

介质层厚度：这里的介质厚度是指信号到参考层距离。介质层厚度的变化会导致串扰的变化。一般情况下，介质层厚度越小，串扰越小。

如何减小串扰？

从串扰的概念就可以看出，不管怎么样，串扰是无法消除的。综上所述，我们可以看到串扰不仅会引入噪声，还会影响到信号时序。所以很多工程师在进行高速电路设计时，都会非常重视对串扰问题的处理。结合是德科技案例对比以及一些工程经验，我們对于如何减少串扰可以给出一些基本结论：

•尽量减短传输线之间的耦合长度，尽量保证在耦合饱和长度之内。
•尽量增加传输线之间的耦合距离，能保证3H（H表示传输线到参考层的距离）的规则更好。
•在满足信号完整性的前提下，尽量使信号的边沿时间不要过于陡峭，减缓上升的速度。
•在PCB设计中，对于耦合长度比较长的高速传输线，尽量布到内层的带状线层，可以大大地减少远端串扰。当耦合距离比较短时，可以布线到微带线层，这样可以减少过孔带来的影响。
•在满足工艺要求的情况下，信号层尽量靠近参考层。
•在PCB设计中，当相邻层都是信号层时，布线尽量避免相邻层平行布线。最好做到垂直布线，使串扰最小化。
•尽量要满足传输链路的阻抗匹配。
•在空间足够大的情况下，可以考虑给高速信号线加屏蔽地，屏蔽地上要有适当的地孔。
•高速传输线尽量不要布到PCB板的边缘，最好保证达到信号到参考层的距离的20H以上。

3. 开关噪声

随着开关切换速度和信号斜率的升高以及器件上有源针脚数目的增加，电源中产生了更多的开关切换噪声。同时，电路也变得越来越容易受到电源噪声的影响。单位间隔的减小意味着时间裕量缩小。信号幅度的降低则导致噪声裕量变小。面对所有工程设计问题，工程师们必须了解它们产生的原因并获得精确的测量数据，才能分析和解决这些问题。

洞察电源的 “ 噪声 ”- 电源中没有任何噪声是最理想的情况。如何才能实现这一目标？除了不可避免的热过程 ( 这通常不是主要的噪声来源 ) 会产生简单的高斯噪声之外，电源上的几 乎所有噪声都来自两个源头中的一个。电源的开关切换会产生多余的噪声，这种噪声通常出现在开关切换频率的谐波上或与开关切换 频率一致。此外，当选通和输出引脚驱动器进行切换时，这个动作将对电源产生瞬态电流需求。在大多数 数字电路中，这通常是最主要的噪声来源。尽管这些开关切换动作是随机发生的，但都趋向于 接近系统时钟。如果我们把这些噪声的影响视为叠加在电源输出上的“信号”而不是当成“噪声”，那么可以 大大简化分析过程并实现更深入的分析。

4. EMI电磁干扰

信号分析仪可提供多条限制线

超标的测量结果部分会用红色标记出来

信号完整性和电源完整性有什么不同？

在信号完整性中，重点是确保传输的逻辑1在接收器中看起来就像 1(对0同样如此)。在电源完整性中，重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。因此，电源完整性可能会被认为是信号完整性的一个组成部分。实际上，它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。