标签: 信号完整性研究

在前文中我提到过，要重视信号上升时间，很多信号完整性问题都是由信号上升时间短引起的。本文就谈谈一个基础概念：信号上升时间和信号带宽的关系。 对于数字电路，输出的通常是方波信号。方波的上升边沿非常陡峭，根据傅立叶分析，任何信号都可以分解成一系列不同频率的正弦信号，方波中包含了非常丰富的频谱成分。 抛开枯燥的理论分析，我们用实验来直观的分析方波中的频率成分，看看不同频率的正弦信号是如何叠加成为方波的。首先我们把一个1.65v的直流和一个100MHz的正弦波形叠加，得到一个直流偏置为1.65v的单频正弦波。我们给这一信号叠加整数倍频率的正弦信号，也就是通常所说的谐波。3次谐波的频率为300MHz，5次谐波的频率为500MHz，以此类推，高次谐波都是100MHz的整数倍。图1是叠加不同谐波前后的比较，左上角的是直流偏置的100MHz基频波形，右上角时基频叠加了3次谐波后的波形，有点类似于方波了。左下角是基频+3次谐波+5次谐波的波形，右下角是基频+3次谐波+5次谐波+7次谐波的波形。这里可以直观的看到叠加的谐波成分越多，波形就越像方波。   图1 因此如果叠加足够多的谐波，我们就可以近似的合成出方波。图2是叠加到217次谐波后的波形。已经非常近似方波了，不用关心角上的那些毛刺，那是著名的吉博斯现象，这种仿真必然会有的，但不影响对问题的理解。这里我们叠加谐波的最高频率达到了21.7GHz。       图2 上面的实验非常有助于我们理解方波波形的本质特征，理想的方波信号包含了无穷多的谐波分量，可以说带宽是无限的。实际中的方波信号与理想方波信号有差距，但有一点是共同的，就是所包含频率很高的频谱成分。 现在我们看看叠加不同频谱成分对上升沿的影响。图3是对比显示。蓝色是基频信号上升边，绿色是叠加了3次谐波后的波形上升边沿，红色是基频+3次谐波+5次谐波+7次谐波后的上升边沿，黑色的是一直叠加到217次谐波后的波形上升边沿。       图3 通过这个实验可以直观的看到，谐波分量越多，上升沿越陡峭。或从另一个角度说，如果信号的上升边沿很陡峭，上升时间很短，那该信号的带宽就很宽。上升时间越短，信号的带宽越宽。这是一个十分重要的概念，一定要有一个直觉的认识，深深刻在脑子里，这对你学习信号完整性非常有好处。 这里说一下，最终合成的方波，其波形重复频率就是100MHz。叠加谐波只是改变了信号上升时间。信号上升时间和100MHz这个频率无关，换成50MHz也是同样的规律。如果你的电路板输出数据信号只是几十MHz，你可能会不在意信号完整性问题。但这时你想想信号由于上升时间很短，频谱中的那些高频谐波会有什么影响？记住一个重要的结论：影响信号完整性的不是波形的重复频率，而是信号的上升时间。 本文的仿真代码很简单，我把代码贴在这里，你可以自己在matlab上运行一下看看。 clc;    clear all;    pack; Fs = 10e9;                     Nsamp = 2e4;                   t = .*(1/Fs); f1 = 1e6; x0 = 3.3/2; x1 = x0 + 1.65*sin(2*pi*f1*t); x3 = x0; for n=1:2:3     x3 = x3 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t); end x5 = x0; for n=1:2:5     x5 = x5 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t); end x7 = x0; for n=1:2:7     x7 = x7 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t); end figure subplot(221) plot(x1) subplot(222) plot(x3) subplot(223) plot(x5) subplot(224) plot(x7) x217 = x0; for n=1:2:217     x217 = x217 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t); end figure plot(x217) figure plot(x217,'k') hold on plot(x1,'b') plot(x3,'g') plot(x7,'r') hold off axis( )

信号的上升时间，对于理解信号完整性问题至关重要，高速pcb设计中的绝大多数问题都和它有关，你必须对他足够重视。 信号上升时间并不是信号从低电平上升到高电平所经历的时间，而是其中的一部分。业界对它的定义尚未统一，最好的办法就是跟随上游的芯片厂商的定义，毕竟这些巨头有话语权。通常有两种：第一种定义为10-90上升时间，即信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是20-80上升时间，即信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。两种都被采用，从IBIS模型中可看到这点。对于同一种波形，自然20-80上升时间要更短。 好了，只要了解这些就够了。对于我们终端应用来说，精确的数字有时并不是很重要，而且这个数值芯片厂商通常也不会直接给我们列出，当然有些芯片可以从IBIS模型中大致估计这个值，不幸的是，不是每种芯片你都能找到IBIS模型。 重要的是我们必须建立这样的概念：上升时间对电路性能有重要的影响，只要小到某一范围，就必须引起注意，哪怕是一个很模糊的范围。没有必要精确定义这个范围标准，也没有实际意义。你只需记住，现在的芯片加工工艺使得这个时间很短，已经到了ps级，你应该重视他的影响的时候了。 随着信号上升时间的减小，反射、串扰、轨道塌陷、电磁辐射、地弹等问题变得更严重，噪声问题更难于解决，上一代产品中设计方案在这一代产品中可能不适用了。 信号上升时间的减小，从频谱分析的角度来说，相当于信号带宽的增加，也就是信号中有更多的高频分量，正是这些高频分量才使得设计变得困难。互连线必须作为传输线来对待，从而产生了很多以前没有的问题。   因此，学习信号完整性，你必须有这样的概念：信号陡峭的上升沿，是产生信号完整性问题的罪魁祸首。

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， 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。     图片1