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于博士信号完整性研究网 信号完整性研究 作者：于争 博士 2009 年 4 月 10 信号完整性研究 原创：于争 博士 目录 信号完整性研究：什么是信号完整性? 1  信号完整性研究：何时会遇到信号完整性问题 2  信号完整性研究：重视信号上升时间 5  信号完整性研究：信号上升时间与带宽 5  信号完整性研究：电压容限 10  信号完整性研究：什么是地弹 11  信号完整性研究：反射现象 12  信号完整性研究：理解临界长度 13  电源完整性研究：电容的去耦时间 14  信号完整性研究：特性阻抗 16  信号完整性研究：多长的走线才是传输线 17  信号完整性研究：信号反射 19  信号完整性研究：信号振铃是怎么产生的 20  信号完整性研究：PCB 走线宽度变化产生的反射 22  信号完整性研究：接收端容性负载的反射 23  信号完整性研究：PCB 走线中途容性负载反射 26  信号完整性研究：特性阻抗和频率有关吗？ 28  转载自： 信号完整性研究 原创：于争 博士 信号完整性研究：什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前 没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整 性。早一天遇到，对你来说是好事。 在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个 ns 。器件间的互连线 不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着 IC 输出 开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性 问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v 内核电压已经很常见了。因此系统 能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。 广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连 线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主 要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、 地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。 信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如 果采用了信号上升时间很小的 IC 芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。 下面谈谈几种常见的信号完整性问题。 反射： 图 1 显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测 一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。如果有，那 么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。 很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多 人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。或许你知道，可是确实很多人 说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实 是事实，我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻 的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配， 奥，对了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的地位。 串扰： 如果足够细心你会发现，有时对于某根信号线，从功能上来说并没有输出信号，但 测量时，会有幅度很小的规则波形，就像有信号输出。这时你测量一下与它邻近的信号线， 看看是不是有某种相似的规律！对，如果两根信号线靠的很近的话，通常会的。这就是串扰。 当然，被串扰影响的信号线上的波形不一定和邻近信号波形相似，也不一定有明显的规律， 更多的是表现为噪声形式。串扰在当今的高密度电路板中一直是个让人头疼的问题，由于布 线空间小，信号必然靠得很近，因此你比须面对它，