在電子元器件的世界里，有這樣一句話(huà)廣為流傳：“有兩種設(shè)計(jì)師，一種是已經(jīng)遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題，另一種是即將遇到信號(hào)完整性問(wèn)題”。對(duì)于像固態(tài)硬盤(pán)這種高集成度、高時(shí)鐘頻率的硬件設(shè)備而言，信號(hào)完整性的重要性更是不言而喻。接下來(lái)，我們就深入探討一下信號(hào)完整性的一些基本內(nèi)容。

     什么是信號(hào)完整性

    通俗來(lái)講，信號(hào)在互連線(xiàn)的傳輸過(guò)程中，會(huì)受到互連線(xiàn)等因素的相互作用，從而使得信號(hào)發(fā)生波形畸變，這時(shí)就可以說(shuō)信號(hào)在傳輸中被破壞了，變得 “不完整”。實(shí)際上，信號(hào)完整性并沒(méi)有一個(gè)的規(guī)范定義，從廣義上講，它指的是信號(hào)在高速產(chǎn)品中由互連線(xiàn)引起的所有問(wèn)題。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)完整性起著至關(guān)重要的作用。一旦信號(hào)完整性出現(xiàn)問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。而影響信號(hào)完整性的關(guān)鍵電氣特性就是互連線(xiàn)的阻抗，它也是解決信號(hào)完整性問(wèn)題的所在。

     阻抗相關(guān)知識(shí)

1. 特性電阻：特性電阻是與傳輸線(xiàn)相關(guān)的概念。信號(hào)在傳輸線(xiàn)上實(shí)際傳輸時(shí)，會(huì)受到傳輸線(xiàn)上寄生參數(shù)（如寄生電感、寄生電阻、寄生電容）的影響。特性阻抗就是綜合傳輸線(xiàn)場(chǎng)景下，這些寄生參數(shù)合成的阻抗。在實(shí)際的 PCB 應(yīng)用中，傳輸線(xiàn)的電阻部分通常可以忽略不計(jì)。此時(shí)，PCB 傳輸線(xiàn)特性阻抗的一般表達(dá)式與單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電感 L 和固有電容 C 有關(guān)。在 PCB 行業(yè)，通常將傳輸線(xiàn)的特性阻抗簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗。
2. 阻抗匹配：信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳輸時(shí)會(huì)受到傳輸線(xiàn)的阻抗影響，任何阻抗的突變都會(huì)引起信號(hào)的反射和失真，過(guò)度的反射和失真會(huì)引發(fā)信號(hào)完整性問(wèn)題。阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線(xiàn)跟負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配。對(duì)于一個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，阻抗匹配十分重要，它主要有兩個(gè)作用，一是調(diào)整負(fù)載功率，二是抑制信號(hào)反射。我們可以用水在管道中流動(dòng)來(lái)類(lèi)比信號(hào)在傳輸線(xiàn)上的傳輸，當(dāng)管道粗細(xì)不一致時(shí)，會(huì)在關(guān)節(jié)處損失水流的動(dòng)能，同樣，傳輸線(xiàn)阻抗不匹配會(huì)造成電路能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。

反射現(xiàn)象

上文提到，因阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)反射。我們可以用光在不同介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象來(lái)形象地解釋信號(hào)反射。當(dāng)光從空氣射向水面或者玻璃時(shí)，一部分光會(huì)被反射，另一部分光會(huì)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)。同樣，當(dāng)傳輸線(xiàn)的阻抗不一致時(shí)，在阻抗跳變的地方，一部分能量會(huì)繼續(xù)傳輸，另一部分能量則會(huì)被反射回去。反射會(huì)造成信號(hào)出現(xiàn)過(guò)沖（Overshoot）、振鈴（Ringing）、邊沿遲緩（回勾現(xiàn)象）等情況。過(guò)沖是振鈴的欠阻尼狀態(tài)，邊沿遲緩是振鈴的過(guò)阻尼狀態(tài)。

1. 過(guò)沖和下沖：過(guò)沖指的是個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓值，下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。對(duì)于上升沿來(lái)說(shuō)，過(guò)沖是指電壓；對(duì)于下降沿來(lái)說(shuō)，過(guò)沖是指電壓。過(guò)沖嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致器件過(guò)早失效，甚至損壞器件。過(guò)分的下沖會(huì)引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，給器件帶來(lái)潛在的累積性傷害，縮短其工作壽命，影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。一般情況下，信號(hào)發(fā)送端的阻抗較低，接收端的阻抗較高，如果兩者阻抗不匹配，發(fā)送的信號(hào)會(huì)在發(fā)送端和接收端之間來(lái)回反射，從而導(dǎo)致信號(hào)反射出現(xiàn)過(guò)沖和下沖。解決過(guò)沖的一般方法是匹配，也叫端接（Termination），其中心思想是消滅信號(hào)路徑端點(diǎn)的阻抗突變。
2. 振鈴：如果過(guò)沖和下沖反復(fù)出現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。過(guò)沖往往伴隨有振鈴，或者說(shuō)過(guò)沖是振鈴的一部分，振鈴產(chǎn)生的次峰值電壓就是過(guò)沖。將過(guò)沖和振鈴分開(kāi)來(lái)講，是因?yàn)樗鼈兊奈：Σ煌Ｕ疋彸司哂羞^(guò)沖的危害之外，其波動(dòng)可能會(huì)多次超過(guò)閾值判定電壓造成誤判，并且會(huì)急劇增加功耗，影響器件壽命。振鈴現(xiàn)象的根本原因是信號(hào)反射，本質(zhì)還是阻抗不匹配，所以減小或者消除振鈴的解決方式與處理過(guò)沖和下沖相同，必須進(jìn)行阻抗匹配端接。

    串?dāng)_問(wèn)題

信號(hào)反射是由傳輸線(xiàn)的阻抗突變導(dǎo)致的，而串?dāng)_是由信號(hào)線(xiàn)間互感和互容引起的噪聲。在高頻情況下，同一 PCB 板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€(xiàn)之間都存在互容和互感。當(dāng)一個(gè)器件或一條信號(hào)線(xiàn)上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過(guò)互容和互感耦合到其他器件或信號(hào)線(xiàn)，即串?dāng)_耦合。當(dāng)耦合信號(hào)或串?dāng)_信號(hào)足夠大時(shí)，接收串?dāng)_信號(hào)的信號(hào)線(xiàn)上就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。一個(gè)信號(hào)受到干擾信號(hào)的串?dāng)_影響會(huì)發(fā)生變形，使眼圖閉合。在工程中，我們希望眼圖盡量張開(kāi)，這樣才能有足夠的余量保證無(wú)誤地傳輸數(shù)據(jù)，反之，如果眼圖閉合會(huì)使余量變小，導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。引起串?dāng)_的原因有很多，如 PCB 布線(xiàn)的長(zhǎng)度、間距、層疊、參考地平面的狀況、端接方式、驅(qū)動(dòng) / 接受端的電氣特性等因素，解決方式也主要針對(duì)這些因素來(lái)處理。

    信號(hào)完整性問(wèn)題解決方法

在解決信號(hào)完整性問(wèn)題之前，我們需要回顧一下引起信號(hào)完整性的因素，基本因素包括阻抗不匹配、串?dāng)_、電源完整性、時(shí)序等。在實(shí)際的信號(hào)完整性分析中，需要對(duì)引發(fā)信號(hào)完整性問(wèn)題的根源進(jìn)行描述，例如信號(hào)上升沿過(guò)短、阻抗匹配不合理、PCB 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、電源完整問(wèn)題等。以下簡(jiǎn)單匯總了常見(jiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題，并列出了引起問(wèn)題的原因和相應(yīng)的解決方法。