信號(hào)完整性的基本定義

基本定義

一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)從IC內(nèi)部出發(fā) → IC封裝(例如鍵合線和管腳)→ PCB走線 → 到達(dá)另一個(gè)IC或者連接器/電纜等的過(guò)程中，這些物理材料對(duì)信號(hào)質(zhì)量和電源質(zhì)量的影響，稱為信號(hào)完整性。

在信號(hào)波形上，體現(xiàn)為高速信號(hào)的電流或者電壓的變化速度，即：

dI/dt 和dV/dt。

這些參數(shù)變化速度越快，信號(hào)完整性問(wèn)題越嚴(yán)重。

主要帶來(lái)四類(lèi)問(wèn)題：

信號(hào)失真

信號(hào)間串?dāng)_

影響電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDS)，例如軌道塌陷、地彈等。

電磁干擾，主要是對(duì)外輻射。

信號(hào)頻率和上升時(shí)間的關(guān)系

在常見(jiàn)的高速數(shù)字信號(hào)中，我們有個(gè)經(jīng)驗(yàn)值是：某信號(hào)的上升時(shí)間是它周期的10%。例如

10MHz信號(hào)的上升時(shí)間是10ns

100MHz信號(hào)的上升時(shí)間是1ns

1GHz信號(hào)的上升時(shí)間是100ps

低頻信號(hào)也可能有信號(hào)完整性問(wèn)題

通常大多數(shù)人按照信號(hào)頻率來(lái)辨別某信號(hào)是否屬于高速信號(hào)，是否需要考慮信號(hào)完整性問(wèn)題，例如以100MHz為界限。100MHz以下的信號(hào)不考慮信號(hào)完整性問(wèn)題。

但是隨著芯片技術(shù)的提升，可以生產(chǎn)更小尺寸的晶體管門(mén)溝道。當(dāng)門(mén)的溝道長(zhǎng)度越短，空穴和電子需要移動(dòng)的距離也越短。這意味著門(mén)可以在更短時(shí)間切換狀態(tài)，在波形上表現(xiàn)為上升時(shí)間的提升。這將使信號(hào)完整性問(wèn)題更明顯。

而芯片廠商為了成本考慮，在生產(chǎn)中盡量使所有的硅晶圓標(biāo)準(zhǔn)化，這樣隨著芯片尺寸的降低，每個(gè)硅晶圓上可以包含更多的芯片。因此有可能一顆低速芯片，它和高速芯片是在同一條產(chǎn)線出產(chǎn)的。這樣這顆低速芯片在工作時(shí)，也會(huì)有較短的上升時(shí)間。

因此依靠信號(hào)頻率來(lái)決定在設(shè)計(jì)中是否要考慮信號(hào)完整性問(wèn)題已經(jīng)不是很可靠的一個(gè)方法。建議在設(shè)計(jì)中，仔細(xì)查詢?cè)pec。在PCBA生產(chǎn)后，進(jìn)行相關(guān)電氣參數(shù)測(cè)量。

仿真和模型

在PCB出圖之前，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行信號(hào)完整性仿真，可以對(duì)信號(hào)波形有個(gè)初步的印象。仿真結(jié)果可以作為PCB設(shè)計(jì)修正的輸入依據(jù)。

我接觸過(guò)得仿真軟件有Mentor的Hyperlynx，Cadence的Allegro，和安捷倫的ADS。最容易上手的是Hyperlynx。下圖是使用Hyperlynx進(jìn)行的一個(gè)基本電路仿真結(jié)果。

進(jìn)行掃描仿真，將R1設(shè)定為從0歐姆到50歐姆，每增加10歐姆仿真一次?？梢钥吹絉1=50歐姆時(shí)(紅色波形)效果最好。這是最簡(jiǎn)單的源端串聯(lián)阻抗匹配。

<波形仿真結(jié)果>

<眼圖仿真結(jié)果>

高速信號(hào)完整性仿真使用的模型稱為IBIS模型(輸入輸出緩沖接口規(guī)范)。它是對(duì)芯片輸入或輸出端口的電壓-電流曲線、電壓-時(shí)間的定義。因?yàn)椴粻砍兜叫酒瑑?nèi)部的設(shè)計(jì)和工藝，因此和Spice模型(Simulation program with integrated circuit emphasis)相比，更容易獲得。大的芯片廠商，例如TI、ST、鎂光等官網(wǎng)都可以下載到對(duì)應(yīng)的IBIS模型。在開(kāi)始使用IBIS模型之前，要先檢查模型的正確性。曾經(jīng)遇到過(guò)某DSP廠商提供的IBIS模型中，把DDR3 CLK+和CLK-的定義搞反的情況。除了芯片，其他的無(wú)源器件(例如電阻、接插件、走線等)，很多都沒(méi)有專門(mén)的電路模型。需要用電阻、電容、電感等來(lái)組建無(wú)源器件模型。例如下圖R1的等效電氣模型由R2+C1+L1組成。

構(gòu)成信號(hào)完整性的基本元件

分析信號(hào)完整性問(wèn)題，由四類(lèi)元件構(gòu)成。

電阻

電容

電感

互連線