对信号的完整性的理解（信号完整性概述）

一、简述

信号完整性主要研究对象为电路的传输路径，包括其电气特性、信号质量以及线间的耦合和辐射。

前些年因为电路板的集成度不高，芯片内集成电路规模不大，信号完整性问题没有得到相应重视。但随着集成度提高、频率提升，若依旧不重视则会引起很多问题，例如时序问题、信号反射、串扰、噪声等。

当时钟频率超过100MHz或者上升边小于1ns时，信号完整性尤为重要。所有涉及到信号完整性的都与以下四类问题相关：

1. 单一网络信号完整性；
2. 网络间串扰；
3. 轨道坍塌；
4. 电磁干扰。

二. 主要四类问题

1. 单一网络信号完整性。

我们假设某信号线独立存在，不考虑其他因素干扰。该信号线上信号质量只取决于信号线路特性。主要是阻抗突变和带宽限制。阻抗突变引起的就是反射，而带宽限制引起的是失真。

1> 阻抗突变

我们经常会看到CLOCK线上会串电阻，常见的有22ohm、36ohm的。这个电阻的作用是什么呢？它最主要的目的在于消除信号反射而做的阻抗匹配，使输出阻抗 电阻=信号线特性阻抗。这也是为什么，电阻都是挨近CPU管脚串，而不是在中间或者终端串的原因。

当输出内阻小于传输线特性阻抗时，源端就会出现负反射，即振铃现象产生。如下图：

因此，我们要让输入阻抗与传输线阻抗做匹配，才能消除振铃现象。此外，这里提供一个经验值：

为了避免信号完整性问题，传输线长度（in）≤信号上升时间Trise（ns），比如我某信号从0到1的上升时间为10ns，那么传输线长度就要小于10inch。

阻抗突变在PCB上主要的因素有：

a. 换层

b. 线宽骤变

c. 接插件

2> 带宽限制

传输线上有两种损耗：导体损耗和介质损耗。这两种损耗对于高频信号衰减要大于低频信号衰减。由于对高频的衰减，信号线的带宽就降低了，从而增加信号的上升时间。

为什么信号带宽降低就会引起上升时间的增加？

我们知道自然产生的振荡信号都是正弦波信号。方波是在正弦波的高阶谐波分量叠加上去而形成的，叠加的高阶谐波分量越多，波形越接近方波。如下图：

因此，当信号中的高频信号即高次谐波被衰减掉之后，我们发现信号就会趋向于正弦波，因此上升时间就会随之变长。

我们在画板的时候，会被要求高频信号线，如MIPI、USB等，要求走线长度不能超过一个范围。这就是考虑到传输线上的损耗，会引起上升边退化，最终导致信号失真。我们USB测试常会测到眼图，如果走线长度过长，损耗过大，就会导致眼图测试fail。

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未完待续。。。

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