信号完整性分析技术

信号完整性分析技术 吴伯春等2004年6月第35卷第2期 (总第115期)

2.1 信号完整性（SI）定义

信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指信号在需要的时候，具有所必需达到相应的电压电平和时间指标。

信号完整性具有以下两个基本条件：（1）空间完整性，又称信号幅值完整性，为满足电路的最小输入高电平和最大输入低电平要求；（2）时间完整性，为满足电路的最小建立和维持时间。2.2 信号完整性解决的主要问题

SI应用的是传统的传输线、电磁学等理论和复杂的算法，主要解决以下几个方面的问题：

（1）电源分布

电源分布网络是高速电路板设计中最重要的考虑因素。电源分布网络必须为低噪声的电路板上各部分电路提供一个低噪声的电源，包括VCC和接地。电源分布网络同时还得为电路板上所有产生或接受的信号提供一个信号回路。

（2）串扰（Crosstalk）

串扰是指线迹之间不必要的信号耦合，它可以是电容性的或者是电感的。电容性串扰是指信号线路之间的信号电容耦合，当线路以一定的距离彼此靠近时，会出现这种情况。电感的串扰可以看作是不需要的变压器的原线圈和次级线圈之间的信号耦合。变压器的线圈就是电路板或者系统上的电流环路，它可能是由无效的布局造成的人造环路，也可能是信号路径和信号返回路径综合形成的自然环路。

（3）反射、过冲、振铃、多次跨越逻辑电平错误

传输过程中的任何不均匀(如阻抗变化、直角线或过孔)都会引起信号的反射，反射的结果对模拟信号（正弦波）将形成驻波，对数字信号则表现为上升沿、下降的振铃和过冲。

（4）电磁兼容性（EMC）

EMC是研究在有限的空间、时间和频谱资源的功能条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的科学。另外一种解释，EMC是一种技术，这种技术的目的在于使电气装置或系统在共同的电磁环境条件下，既不受电磁环境的影响，也不

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会给环境以这种影响。换句话说，就是它不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。2.3 影响信号完整性的主要因素

PCB板上的信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现出传输线的性质。在集总电路中视为短路线的连线上，在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同，所以集总参数在这时已经不起作用了，必须采用分布参数传输线理论来处理。如果线长度大于信号传输有效长度的1/6－1/4，那么我们就看做是一个分布式系统。

影响信号完整性的主要因素有：

（１）延迟：源于信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

（2）反射噪声(振铃噪声)：源于信号线网的阻抗失配、分岔、过孔、弯曲及其它阻抗不连续性。

（3）串扰噪声：源于信号线网之间、信号系统和电源分布系统之间、过孔之间的电磁耦合。

（4）瞬变电流噪声(Delta-I noise）：源于由过孔、电源/地层的分割导致的回流路径的不连续，瞬间电流特别当多个驱动同时翻转时在电源/地层上产生的电压波动。瞬变电流噪声对信号畸变的作用有时大大超出信号线网间串扰的影响。

（5）谐振：电磁场在PCB/MCM物理结构内部的传输、在金属板边的反射，物理结构的自身振荡。

（6）EMC/EMI：微带线、电源/地金属层对外的电磁辐射。

（7）PCB层设置、PCB材料影响传输线特性阻抗等，线宽、线长、线间距在高速、高密度PCB设计中的影响，阻抗匹配、负载及拓扑结构的影响。

（8）温度、工艺等对设计参数的影响。

3 基于信号完整性分析的PCB设计

信号完整性问题解决得越早，设计的效率就