原创 【转】电地完整性、信号完整性分析导论1

14.1.简介
    在高速数字设计的领域里，信号完整性已经变成了一个关键的问题，给设计工程师带来了越来越严峻的考验。许多信号完整性问题本质上来说是电磁现象，和本书前面章节中讨论的EMI/EMC 部分相关。本章我们将要讨论典型的信号完整性问题及其成因，为什么我们要理解它们以及我们如何来分析和解决这些问题。同时介绍几个目前有效的信号完整性分析工具及当前的趋势。
    SI 在电子设计方面包括了两层意思－时序和信号质量。信号抵达目的地的时间是否和期望的一样？同时到达的情况如何？信号完整性分析的目的是保证可靠的高速数据传输。在一个数字设计中，信号从一个器件以逻辑电平1 或者0 的形式传递到另外一个器件，而逻辑的判断实际上以一定的电平为参考的。在接收端的输入门，参考值Vih 以上的电压被认为是逻辑高电平，Vil 以下的被认为是逻辑低电平。图14－1 表明在完美逻辑世界中理想电压波形，图14－2 表明的是实际系统中信号的情况。一连串1 和0 组成的复杂数据就构成了实际的连续电压波形。接收器件为了得到二进制编码信息需要对波形进行采样。数据采样过程通常是由时钟信号的上升或者下降沿来触发如图14－3。从图形中很清楚数据必须及时的到达接收端并且在接收器件开始锁存的之前稳定为一个非模糊的逻辑状态。任何数据的延迟或者波形的畸变将导致数据传输的失败。想象一下一个如图14－2 的信号波形，当信号采样时，由于过量的振铃在逻辑灰区域，导致逻辑电平不能被可靠的识别。
 
           图14－1 理想信号波形                                                                                  图14－2 实际信号波形
 
图14－3 数据采样过程和时序转变

14.2 SI 问题
14.2.1 典型的SI 问题
    时序是高速系统的一切。信号时序取决于信号传播的物理长度引起的延迟。同时取决于抵达阀值时波形的形状。信号波形畸变的原因可能有很多的不同原因。但是针对噪声来说我们最关心的有以下3 个方面：

• 反射噪声
  由于阻抗失配，分支，过孔以及其它互连中存在的不连续性。
• 串绕噪声
  由于信号线和过孔之间的电磁耦合
• 电源/地噪声
  由于驱动同时开关输出（SSO）电源/地分布系统的寄生参数效应。有时候称为地弹，Delta-I 噪声或者同开关噪声（SSN）。

    除了以上三种SI问题之外，还有其它的电磁兼容性或者电磁干扰（EMC/EMI）方面的问题也可能会导致信号波形的畸变。当SI问题发生或者满足不了系统噪声容限时－比如说开关接收端产生反射使得信号低于Vih电平或者高于Vil电平；或者静态接收端的信号电平大于Vil最大值或者低于Vih最小值；电源/地电压波动干扰锁存数据，然后导致逻辑错误，数据丢失，误码甚至发生系统瘫痪。在系统建立或者样机调试时对这些类型的噪声错误做出判断和解决都显得尤其困难。但是如果在发生之前理解并解决这些问题将减少开发周期和降低成本[1]。在本章地后面部分，我们将进一步探讨这些噪声现象的物理行为，起因，分析和仿真的电气模型，以及避免的方法。

14.2.2 SI问题产生的地方
    由于信号在系统中的传播由各种各样的互连来完成，在源端，沿路或者在接收端产生的任何电气冲击都将对信号的时序和质量产生显著的影响。在一个典型的数字系统环境下，来自芯片内部驱动器端的信号通过C4或者邦定线连接到芯片封装（芯片封装可以是单芯片或者是多芯片模块）通过芯片封装的焊球，信号进入PCB级。在这一级，典型的结构包括子卡，母板，或者是背板。然后信号继续前进进入到系统的其它组件中，如ASIC芯片，存储器模块等。如图14－4所示芯片封装，印制电路板，以及电缆和连接器形成了电子封装系统的各个级别。在系统中的每一级，都有典型的互连如金属线，过孔，和电源地平面等，它们组成了信号连接的电气路径。封装互连结构最终会影响到系统的信号质量。
 
图14－4 IC封装和PCB中出现的信号完整性挑战

14.2.3 电气封装中的SI
    高速，高密器件的技术趋势使得封装性能趋于极限。目前个人计算机的时钟频率已经达到了GHz。当信号上升时间低于200ps，信号的有效高频分量超越了10GHz。这就使得互连和封装必须能够支持信号快速变化和宽带，而在信号波形质量的下降仍然在可以接收的范围之内。
    同时芯片设计和制造工艺处于显著革命之中：门长度，从60年代的50微米到现在的0.18微米，甚至期望在今后几年突破0.1微米；片上时钟每18个月翻一翻；门级固有延迟在指数下降，已经到达了几个皮秒。然而，物理设计明显相对滞后。目前的工艺，封装互连延迟占据了系统时序的主体，成为高速系统设计的瓶颈。封装性能已经成为了限制系统整体性能的一个主要因素。
    高性能亚微米处理器的出现，G兆位网络以及宽带互连接入，要想可靠把高速数据传输到每一个电子系统必须要有高性能的封装互连结构。在设计这些封装（芯片和PCB）及其集成系统的时候，信号质量是需要考虑的一个最重要的因素。