信号完整性

工程师在为采用时钟、数据转换器或放大器的医疗应用、测试和测量以及无线基础设施的噪声敏感型系统设计电源时，经常遇到的一个问题是如何提高准确度和精度，并最大限度降低系统噪声。

本文主要介绍PCB设计中常见的“3W原则”。 什么是“3W原则” 在PCB设计时，为了减少线间串扰，经常会听说“3W原则”、“20H原则”、“五五规则”等，下面就具体来介绍一下3W原则。3W原则其实就是为了减小串扰，让走线与走线之间保持3倍线宽的间距，这就是所谓的3W规则。

本文主要介绍信号完整性是什么，信号完整性包括哪些内容，什么时候需要注意信号完整性问题？ 信号完整性是指高速产品设计中由互连线引起的所有问题。包括以下几部分： 时序 噪声 电磁干扰（EMI）

信号完整性 信号完整性（Signal Integrity，SI）是指信号在信号线上的质量，即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收器，则可确定该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。 随着高速器件的使用和高速数字系统设计越来越多，系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断地增加。在这种设计中，系统斜率瞬变和工作频率很高，电缆、互连、印制板（PCB）和硅片将表现出与低速设计截然不同的行为，即出现信号完整性问题。 信号完整性问题能导致或者直接带来诸如信号失真，定时错误，不正确的数据，地址、控制线和系统误差等，甚至使系统崩溃，这已成为高速产品设计中非常值得注意的问题。

在高速PCB电路设计过程中，经常会遇到信号完整性问题，导致信号传输质量不佳甚至出错。那么如何区分高速信号和普通信号呢？ 很多人觉得信号频率高的就是高速信号，实则不然。我们知道任何信号都可以由正弦信号的N次谐波来表示，而信号的最高频率或者信号带宽才是衡量信号是否是高速信号的标准。 隔离一块PCB板上的元器件有各种各样的边值（edge rates）和各种噪声差异。改善SI最直接的方式就是依据器件的边值和灵敏度，通过PCB板上元器件的物理隔离来实现。 图1是一个实例。在本例中，需要特别注意会对时钟和数据转换电路造成危害对电路，例如供电电源、数字I/O端口和高速逻辑。

信号完整性的定义 定义：信号完整性（Signal Integrity,简称SI）是指在信号线上的信号质量。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同 引起的。当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。

在模拟电路时期以及模拟向数字信号过渡的初期，由于电路的信号速度并不高，这个时候信号完整性的问题并不突出。随着技术的发展，数字信号的传输速度飞速提升，此时信号完整性才从以前从属于Layout中独立成了一个单独的发展方向。 信号完整性毕竟是一个新兴的学科，在国内依然处于刚起步发展不久的一个状态，除了大型公司或者研究院之类的，很少会设立相关的专职岗位。但这并不代表信号完整性不重要，恰恰相反，信号完整性会随着科技的进步，变得愈加重要。这点相信很多硬件或是Layout工程师已经感受到了。 学习信号完整性整体而言还是相对困难的，难点主要在于相关的资料太少。不像学习Layout，可以有大量的资料参考，你遇到的问题也有无数人遇到，通过搜索引擎可以解决几乎全部的问题。但是信号完整性不一样，很多没有现成可供参考的资料，需要自己去读原厂的文档，去逐句的看软件的帮助资料，然后摸索解决问题。

1、地线电阻的电压降的影响——地电平（0电平）直流引起的低电平提高 图中虚线为提高的情况。提高幅度与IC的功耗大小、IC密度、馈电方式、地线电阻（R）、馈电的地线总电流有关，ΔV地=ΔI×ΔR。 2、信号线电阻的电压降的影响 a）IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一IC的输入脚，输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个低电平的抬高，其值为ΔVOL=IOL×R（见图中的上面一条虚线）。

上升/下降时间（Rise/Fall Time）： 信号从低电平跳变到高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%~90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。 截止频率（Knee Frequency）： 表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee。一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。 特征阻抗（Characteristic Impedance）： 交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。 可以用传输线上输入电压对输入电流的比值（U/I）来表示。

1、提高高速产品设计效率的关键是：充分利用分析工具实现准确的性能预估，使用测量手段验证设计过程和降低风险并提高所采用设计工具的可信度。 2、将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行途径是：采用经验法则、解析近似、数值仿真和实际测量技术手段，这是工程实践的本质要素。 3、任何一段互连，无论线长和形状，也无论信号的上升沿如何，都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互连前进的每一步，都会感受到一个瞬时阻抗。如果瞬时阻抗恒为常数，比如具有均匀横截面传输线的情况，那么其信号质量将会获得奇迹般的改善。 4、把“接地”这一术语忘掉，因为它所造成的问题比用它解决的问题还要多。每一路信号都有返回路径。抓住“返回路径”，像对待信号路径一样去寻找并仔细处理返回路径，这样有助于培养解决问题的直觉能力。 5、当电压变化时，电容器上就有电流流动。