信号完整性分析概论-概念的认识

1.1 信号完整性（Signal Integrity）概念

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当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一因素导致的，而是由板级设计中多种因素共同引起的。特别是在高速电路中，所使用的芯片的切换速度过快、端接元件布设不合理、电路的互联不合理等都会引起信号的完整性问题。具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。

1.2 信号完整性的引发因素

信号完整性问题由多种因素引起，归结起来有反射、串扰、过冲和下冲、振铃、信号延迟等，其中反射和串扰是引发信号完整性问题的两大主要因素。

1.2.1 反射(reflection)

反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样，就是信号在传输线上的回波现象。此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同，反射电压可能为正，也可能为负。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接收数据错误。如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。

1.2.2 串扰（crosstalk）

串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。因此也就把它分为感性串扰和容性串扰，分别引发耦合电流和耦合电压。当信号的边沿速率低于lns时，串扰问题就应该考虑了。如果信号线上有交变的信号电流通过时，会产生交变的磁场，处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。在Cadence的信号仿真工具中可以同时对6条耦合信号线进行串扰后仿真，可以设置的扫描参数有：PCB的介电常数，介质的厚度，沉铜厚度，信号线长度和宽度，信号线的间距．仿真时还必须指定一个受侵害的信号线，也就是考察另外的信号线对本条线路的干扰情况，激励设置为常高或是常低，这样就可以测到其他信号线对本条信号线的感应电压的总和，从而可以得到满足要求的最小间距和最大并行长度。

1.2.3 过冲(overshoot)和下冲(undershoot)

过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号跳变，也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效，严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。

1.2.4 振铃(ringing)

振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振铃由传输线上过度的电感和电容引起的接收端与传输线和源端的阻抗不匹配而产生的，通常发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。振铃由反射等多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接或是改变PCB参数予以减小，但是不可能完全消除。

在Cadence的信号仿真软件中，将以上的信号完整性问题都放在反射参数中去度量。在接收和驱动器件的IBIS模型库中，我们只需要设置不同的传输线阻抗参数、电阻值、信号传输速率以及选择微带线还是带状线，就可以通过仿真工具直接计算出信号的波形以及相应的数据，这样就可以找出匹配的传输线阻抗值、电阻值、信号传输速率，在对应的PCB软件Allegro中，就可以根据相对应的传输线阻抗值和信号传输速率得到各层中相对应信号线的宽度(需提前设好叠层的顺序和各参数)。选择电阻匹配的方式也有多种，包括源端端接和并行端接等，根据不同的电路选择不同的方式。在布线策略上也可以选择不同的方式：菊花型、星型、自定义型，每种方式都有其优缺点，可以根据不同的电路仿真结果来确定具体的选择方式。

1.2.5 信号延迟(delay)

电路中只能按照规定的时序接收数据，过长的信号延迟可能导致时序和功能的混乱，在低速的系统中不会有问题，但是信号边缘速率加快，时钟速率提高，信号在器件之间的传输时间以及同步时间就会缩短。驱动过载、走线过长都会引起延时。必须在越来越短的时间预算中要满足所有门延时，包括建立时间，保持时间，线延迟和偏斜。 由于传输线上的等效电容和电感都会对信号的数字切换产生延迟，加上反射引起的振荡回绕，使得数据信号不能满足接收端器件正确接收所需要的时间，从而导致接收错误。在Cadence的信号仿真软件中，将信号的延迟也放在反射的子参数中度量，有Settledelay、Switchdelay、Propdelay。其中前两个与IBIS模型库中的测试负载有关，这两个参数可以通过驱动器件和接收器件的用户手册参数得到，可以将它们与仿真后的Settledelay、Switchdelay加以比较，如果在Slow模式下得到的Switchdelay都小于计算得到的值，并且在Fast的模式下得到的Switchdelay的值都大于计算得到的值，就可以得出我们真正需要的两个器件之间的时延范围Propdelay。在具体器件布放的时候，如果器件的位置不合适，在对应的时延表中那部分会显示红色，当把其位置调整合适后将会变成蓝色，表示信号在器件之间的延时已经满足Propdelay规定的范围了。

1.3 信号完整性的解决方案

随着各种PCB仿真软件的出现，通过仿真指导布局来解决信号完整性问题成为行之有效的途径。首先在电路设计方案中，设计者可有多种选择，并能通过设计同步切换输出数量，各单元的最大dI/dt和dV/dt等工作来控制信号的完整性，也可为高扇出功能块，如时钟驱动器选择使用差分信号。在布线过程中，可以通过在SpecctraQues中设置约束条件来使布线符合规定条件，以得到对于延迟的准确预测。对电路进行电路仿真 这在现代高速PCB板设计中显得尤为重要，而且它具有的最大优点是显而易见，给设计师科学、准确和直观的设计结果，便于及时更改与纠正，缩短了设计时间，降低了成本设计者应对相关因素作出估计，建立合理的模型。随着时钟频率的增加，这将成为一项关键的确认和验证步骤。在现

代高速PCB设计中， 保持信号完整性对设计者来说越来越富有挑战性。

号完整性要求。