高速信号与信号完整性

什么是高速数字信号？

高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号，而高频信号是针对信号频率而言的。高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的

知识。错误的概念是：8KHz帧信号为低速信号。多高的频率才算高速信号？

当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号.

对于数字电路，关键是看信号的边沿陡峭程度，即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小

于6倍导线延时,就是高速信号!

即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。

信号完整性研究：什么是信号完整性?

时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士 点击: 1813次

信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量，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芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题，信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。

1、 什么是信号完整性（Singnal Integrity）？

信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法：

问题 可能原因 解决方法 其他解决方法

过大的上冲 终端阻抗不匹配 终端端接 使用上升时间缓慢的驱动源

直流电压电平不好 线上负载过大 以交流负载替换直流负载 在接收端端接，重新布线或检查地平面

过大的串扰 线间耦合过大 使用上升时间缓慢的发送驱动器 使用能提供更大驱动电流的驱动源

时延太大 传输线距离太长 替换或重新布线, 检查串行端接头 使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略

振荡 阻抗不匹配 在发送端串接阻尼电阻

2、什么是串扰（crosstalk）？

串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为 Victim。通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

3、什么是电磁兼容（EMI）？

电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。FCC定义了对于一定的频率的最大发射的水平（例如应用于飞行控制器领域）。

4、在时域（time domain）和频域（frequency domain）之间又什么不同？

时域（time domain）是一个波形的示波器观察，它通常用于找出管脚到管脚的延时（delays）、偏移（skew）、过冲（overshoot）、下冲（undershoot）以及设置时间（setting times）。频域（frequency domain）是一个波形的频谱分析议的观察，它通常用于波形与频谱分析议的观察、它通常用于波形与FCC和其他EMI控制限制之间的比较。（有一个比喻，它就象收音机――你在时域（time domain）中听见，但是你要找到你喜欢的电台是在频域（frequency domain）内。）

5、什么是传输线（transmission line）？

传输线（transmission line）是一个网络（导线），并且它的电流返回的地和电源。电路板上的导线具有电阻、电容和电感等电气特性。在高频电路设计中，电路板线路上的电容和电感会使导线等效于一条传输线。传输线是所有导体及其接地回路的总和。

6、什么是阻抗（impedance）？

阻抗（Impedance）是传输线（transmission line）上输入电压对输入电流地比率值（Z0＝V/I）。当一个源发出一个信号到线上，它将阻碍它驱动，直到2*TD时，源并没有看到它地改变，在这里TD时线的延时（delay）。

7、什么是反射（reflection）？

反射（reflection）就是在传输线（transmission line）上回波（echo）。信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射（reflected）了。如果负载和线具有相同的（impedance），发射（Reflections）就不会发生了。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。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的变化均会导致此类反射。

8、什么是过冲（overshoot）？

过冲（Overshoot）就是第一个峰值或谷值超过设定电压――对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲（Undershoot）是指下一个谷值或峰值。过分的过冲（overshoot）能够引起保护二级管工作，导致过早地失效。

9、什么是下冲（undershoot）（ringback）？

过冲（Overshoot）是第二个峰值或谷值超过设定电压――对于上升沿过度地谷值或对于下降沿太大地峰值。过分地下冲（undershoot）能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。

10、什么是振荡（ringing）？

振荡（ringing）就是在反复出现过冲（overshoots）和下冲（undershoots）。信号的振铃（ringing）和环绕振荡（rounding）由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。

11、什么是设置时间（settling time）？

设置时间（settling time）就是对于一个振荡的信号稳定到指定的最终值所需的时间。

12、什么是管脚到管脚（pin－to－pin）的延时（delay）

管脚到管脚（pin－to－pin）的延时（delay）是指在驱动器状态的改变到接收器状态的改变之间的时间。这些改变通常发生在给定电压的50％，最小延时发生在当输出第一个越过给定的阀值（threshold），最大延时发生在当输出最后一个越过电压阀值（threshold），测量所有这些情况。

13、什么是偏差（skew）？ 信号的偏移（skew）是对于同一个网络到达不同的接收器端之间的时间偏差。偏移（skew）还被用于在逻辑门上时钟和数据达到的时间偏差。

14、什么是斜率（slew rate）？

Slew rate就是边沿斜率（－个信号的电压有关的时间改变的比率）。I/O的技术规范（如PCI）状态在两个电压之间，这就是斜率（slew rate），它是可以测量的。

15、什么是静态线（quiescent line）？

在当前的时钟周期内它不出现切换。另外也被称为“stuck－at”线或static线。串扰（crosstalk）能够引起一个静态线在时钟周期内出现切换。

16、什么是假时钟（false clocking）？

假时钟是指时钟越过阀值（threshold）无意识的改变了状态（有时在VIL或VIH之间）。通常由过分的下冲（undershoot）或串扰（crostalk）引起。

17、什么是IBIS？

IBIS 是描述一个输入/输出（I/O）的EIA/ANSI标准。它包括DC（V/I）特性曲线，也包括瞬态（transient）（V/T）特性曲线 curves as tables of points。HyperLynx的网页（Web site）上有连接到IBIS的主页，另外还有许多供应商的IBIS模型网页。

18、什么是IC 的高低电平切换门限？

IC 的高低电平切换门限指的是信号从一个状态向另一个状态转换所需的电压值。当发生阻尼现象时，信号电平可能会超过IC 输入脚的切换门限，从而将IC 输入信号变为不确定状态，这会导致时钟出错或数据的错误接收。

19、什么是地电平面反弹噪声和回流噪声?

在电路中有大的电流涌动时会引起地平面反弹噪声（简称为地弹），如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。同样电源层也可能会被分割为2.5V，3.3V，5V等。所以在多电压PCB设计中，地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。

20、高频电路的定义

在数字电路中，是否是高频电路取决于信号的上升沿和下降沿，而不是信号的频率。 F＝1/（Tr*л），Tr为上升/下降延时时间，当F>100MH他（Tr<3.183ns）时就应该按照高频电路进行考虑，下列情况必须按照高频规则进行设计： l 系统时钟超过50Hz

l 采用了上升/下降时间少于5ns的器件 l 数字/模拟混合电路

高频电路是取决于信号的上升沿和下降沿，而不是信号的频率，但是不是Tr>100MHz时才考虑高频规则进行设计，还要看传输介质而定。通常约定如果线传播延时大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发生在信号状态改变的瞬间，如上升或下降时间。信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间，如果传输时间小于1/2的上升或下降时间，那么来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端。反之，反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端。如果反射信号很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。

21、什么是长线

高速系统中的长线（Electrically Long Trace）定义 可以从频域和时域两个角度来定义： 1、频域定义

当线的物理长度和相应频率的波长具有可比性的时候（一般的说法是大于1/20波长），这样的trace就叫做Electrically Long Trace，或者transmission line（传输线）。 2、时域定义

当信号线的传输延迟（propagation delay）大于1/4信号上升时间（rise time）的时候，

该信号线就应视为传输线。

22、什么是微带线和带状线 1.微带线

参考平面（reference plane）只有一个。有些朋友认为微带线就是位于PCB表层的传输线。这种看法不全面。设想一种情形：一个多层板的第一和第二层都是信号层，而第三层为地平面，那么在第一和第二层上的传输线都叫微带线。位于第二层的微带线也叫做掩埋式微带线（embedded microstrip）。微带线的阻抗与它的线宽、频率和它到参考平面的垂直距离有关。 2.带状线

位于两个参考平面之间，所以它有两个参考平面，阻抗的计算公式与微带线的也不一样。当然，带状线肯定是位于PCB的内层。

什么是信号完整性

信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真

地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

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单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、

地弹、串扰等。 信号完整性的一些基本概念

传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时

也被称为延迟线。

集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间

的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。 分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电

感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。

上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为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）：这是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Fk

nee,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就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。 传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时,与线长和信号传播速度有关,记为tPD。

微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。 带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时,流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电

流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表

示。

过冲/下冲（Over shoot/under shoot）：过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个

谷值或峰值。

振荡：在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃（Ri

nging）和环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。

匹配（Termination）：指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采

用在源端或终端,所以也称为端接。

串扰：串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰,这种

干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。

信号回流（Return current）：指伴随信号传播的返回电流。

自屏蔽（Self shielding）：信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持

低电抗的方法称为自屏蔽。

前向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。

后向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near

-end crosstalk)。

屏蔽效率（SE）：是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数,单位为分贝。 吸收损耗：吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。

反射损耗：反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变

化。

校正因子：表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另

一面的能量增加,所以校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。 差模EMI：传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。 共模EMI：当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,

既共模EMI。

发射带宽：即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量是工程师

所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。

电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

电磁骚扰：任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。

电磁干扰：电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。

电磁兼容性：设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的

能力。

系统内干扰：系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。 系统间干扰：有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。 静电放电：具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。

建立时间（Setup Time）：建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。 保持时间（Hold Time）：为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继

续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。

飞行时间（Flight Time）：指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上

升时间有关。

Tco：是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。缓冲延迟（buffer delay）：指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需

要的时间

时钟抖动（Jitter）：时钟抖动是指时钟触的,和后期布线没有关系。 时钟偏移（Skew）：是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。

假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。通常由于

过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。

电源完整性(Power Integrity)： 指电路系统中的电源和地的质量。

同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise）：指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流（di/dt）,

在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。

地弹（Ground Bounce）：指由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致的现象。同

样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹（Power Bounce）。

传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时也被称为延迟线。

集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。 上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为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）：这是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就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时,与线长和信号传播速度有关,记为tPD。

微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。 带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时,流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表示。

过冲/下冲（Over shoot/under shoot）：过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个谷值或峰值。

振荡：在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃（Ringing）和环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。 匹配（Termination）：指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。

串扰：串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰,这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。

信号回流（Return current）：指伴随信号传播的返回电流。

自屏蔽（Self shielding）：信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。

前向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。

后向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near-end crosstalk)。

屏蔽效率（SE）：是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数,单位为分贝。 吸收损耗：吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。

反射损耗：反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。

校正因子：表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。

差模EMI：传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。

共模EMI：当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI。

发射带宽：即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波

分量,这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。

电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

电磁骚扰：任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。

电磁干扰：电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。

电磁兼容性：设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

系统内干扰：系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。 系统间干扰：有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。 静电放电：具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。 建立时间（Setup Time）：建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。

保持时间（Hold Time）：为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。

飞行时间（Flight Time）：指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上升时间有关。

Tco：是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。缓冲延迟（buffer delay）：指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间

时钟抖动（Jitter）：时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差,通常可以用两个或多个时钟周期之间的差值来量度,这个误差是由时钟发生器内部产生的,和后期布线没有关系。

时钟偏移（Skew）：是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。 假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。

电源完整性(Power Integrity)： 指电路系统中的电源和地的质量。

同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise）：指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流（di/dt）,在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。

地弹（Ground Bounce）：指由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致的现象。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹（Power Bounce）。

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，只能控制但无法消除。对于受到串扰的信号线，邻近信号的干扰对他来说就相当于噪声。

串扰大小和电路板上的很多因素有关，并不是仅仅因为两根信号线间的距离。当然，距离最容易控制，也是最常用的解决串扰的方法，但不是唯一方法。这也是很多工程师容易误解的地方。更深入的讨论，我会在后续文章中陆续推出，如果你感兴趣，可以常来于博士信号完整性研究网http://www.sig007.com，关注博士讲坛栏目。

轨道塌陷：

噪声不仅存在于信号网络中，电源分配系统也存在。我们知道，电源和地之间电流流经路径上不可避免存在阻抗，除非你能让电路板上的所有东西都变成超导体。那么，当电流变化时，不可避免产生压降，因此，真正送到芯片电源管脚上的电压会减小，有时减小得很厉害，就像电压突然产生了塌陷，这就是轨道塌陷。轨道塌陷有时会产生致命的问题，很可能影响你的电路板的功能。高性能处理器集成的门数越来越多，开关速度也越来越快，在更短的时间内消耗更多的开关电流，可以容忍的噪声变得越来越小。但同时控制噪声越来越难，因为高性能处理器对电源系统的苛刻要求，构建更低阻抗的电源分配系统变得越来越困难。你可能注意到了，又是阻抗，理解阻抗是理解信号完整性问题的关键。

信号完整性问题涉及面比较广，这里只是简单介绍几种现象，希望这篇文章能让你对信号完整性有个初步的认识。信号完整性，将是每个硬件工程师的必修课。早一天接触，早一天受益。

信号完整性：多长的走线才是传输线

时间:2009-04-16 20:35来源:未知 作者:于博士 点击: 1935次

多长的走线才是传输线？

这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。

我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况。假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。

图1

信号在这条走线上向前传播，传输到走线尽头需要10ns，返回到源端又需要10ns，则总的往返时间是20ns。如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话，返回路径上应该没有电流，因为在远端是开路的。但实际情况却不是这样，返回路径在信号上后最初的一段时间有电流。

在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号还线条上只走了6英寸，不知道远端是开路还是短路，那么信号感觉到的阻抗有多大，怎么确定？如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾，所以，必须按传输线处理。

实际上，在信号线条和返回地平面间存在寄生电容，如图2所示。当信号向前传播过程中，A点处电压不断不变化，对于寄生电容来说，变化的电压意味着产生电流，方向如图中虚线所示。因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗，寄生电容构成了电流回流的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗，这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的，通常叫做传输线的瞬态阻抗。

图2

当信号到达远端，远端的电压升至信号的最终电压后，电压不再变化。虽然寄生电容还是存在，但是没有电压的变化，电容相当于开路，这对应的就是直流情况。

因此，这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样，在起始一小段时间内，表现就是传输线。即使传输线远端开路，在信号跳变期间，传输线前段的性能也会像一个阻值有限的电阻。