構(gòu)建系統(tǒng)思維：信號完整性，看這一篇就夠了！

信號完整性（SignalIntegrity，SI）在電子工程領(lǐng)域中具有極其重要的意義，也是現(xiàn)代電子設計的核心考量因素之一，尤其在高速PCB設計、集成電路設計、通信系統(tǒng)設計等領(lǐng)域，對保證系統(tǒng)性能和功能實現(xiàn)起著決定性的作用。

本文將從基礎(chǔ)概念到實際應用，為工程師們提供清晰的指引，并深入探討信號完整性的重要性、所需的專業(yè)知識，以及所用到的相關(guān)軟件工具等。

通過本文希望工程師們能夠更系統(tǒng)地了解信號完整性，并將其應用于實際產(chǎn)品設計，從而提升產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

一、信號完整性概述

信號完整性，簡而言之，是確保信號從發(fā)送端準確無誤地傳遞到接收端的能力。在理想狀態(tài)下，信號經(jīng)過傳輸線后，接收端應能清晰識別其高低電平。但在現(xiàn)實電子產(chǎn)品中，信號在傳輸過程中常受到各種因素的影響，如整個通道上的電阻、電容、連接器、傳輸線本身以及發(fā)送和接收端芯片的特性。這些因素可能導致信號發(fā)生變化或失真，這種失真即為信號完整性問題。對于信號完整性工程師而言，理解并應對這些影響因素是確保電子產(chǎn)品性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。

二、硬件的基石

信號完整性在硬件設計中占據(jù)核心地位，它不僅僅局限于硬件電路的設計，而是貫穿整個系統(tǒng)設計的始終。電路原理設計是確保高速電路信號完整性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括電路系統(tǒng)、原理框圖及具體電路的設計。信號完整性工程師必須精通這些基本技能，以實現(xiàn)系統(tǒng)設計的目標。簡言之，電路原理設計在確保信號在傳輸過程中保持其原始特性，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。

三、總線協(xié)議指引

對于信號完整性工程師而言，總線協(xié)議是不可或缺的基礎(chǔ)知識。它不僅是信號傳輸?shù)囊罁?jù)，也是評估信號是否滿足設計要求的準則。工程師的所有努力，若不符合總線協(xié)議的要求，便失去了意義。因此，深入理解總線協(xié)議是每位信號完整性工程師的必備素質(zhì)，它指引著工程師確保信號在傳輸過程中的完整性和準確性。

四、PCB布局關(guān)鍵

1、確保PCB設計品質(zhì)

高速電路技術(shù)的發(fā)展簡化了原理方案設計。然而，即便在相同的CPU和外圍電路下，不同公司或同一公司的不同產(chǎn)品性能仍有顯著差異，這源于PCB設計的差異。優(yōu)秀的PCB設計需確保模塊連通、性能優(yōu)化、兼容性測試通過，并符合生產(chǎn)工藝。其中，信號完整性是PCB布局的關(guān)鍵，影響信號傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，PCB設計過程中必須充分考慮信號完整性，以確保產(chǎn)品性能與品質(zhì)。

2、生產(chǎn)工藝的重要性

生產(chǎn)工藝是確保產(chǎn)品從設計走向量產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對信號完整性有著不容忽視的影響。不同的生產(chǎn)工藝會導致線路板上的電阻、電容等參數(shù)發(fā)生變化，從而影響信號的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，在PCB設計階段，預測和評估生產(chǎn)工藝對信號完整性的影響至關(guān)重要。

華秋DFM可制造性檢查軟件，正是為解決這一問題而設計的。他全面檢查設計文件，評估其實際生產(chǎn)中的制成能力，它精準評估疊層計算阻抗，確保信號完整性。工程師借此軟件在設計初期即識別并解決潛在制造問題，保障設計的可制造性與信號穩(wěn)定性。這不僅降低了生產(chǎn)成本，更顯著提升了產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。

五、PCB材料之選

PCB作為電子元器件互連的載體，其材料選擇對高速電路的信號完整性至關(guān)重要。材料的特性直接影響信號是否滿足設計要求。面對種類繁多的PCB材料，選擇符合產(chǎn)品設計的材料成為信號完整性工程師的重要任務。正確選材，確保信號穩(wěn)定傳輸，是提升產(chǎn)品質(zhì)量與性能的關(guān)鍵一環(huán)。

六、高速互連器件

信號完整性，這一涵蓋廣泛的概念，其核心在于電路與方案的整體設計。而高速互連器件，如發(fā)送/接收芯片、連接器及線纜等，是確保信號質(zhì)量的不可或缺的部分。對高速互連器件的深入了解和熟悉至關(guān)重要，包括其性能、成本、工藝參數(shù)、封裝及供應商質(zhì)量等全面考量。這是確保信號完整性，提升產(chǎn)品性能的關(guān)鍵所在。

七、精通測試測量

產(chǎn)品研發(fā)中，測試與測量是不可或缺的一環(huán)。信號完整性工程師需精通實時示波器、采樣示波器、網(wǎng)絡分析儀等基礎(chǔ)設備，以及誤碼分析儀、協(xié)議分析儀等高階工具。熟練使用這些設備，是定位產(chǎn)品問題的關(guān)鍵，也是設計優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的前提。此外，烙鐵、熱風槍等基本工具的運用同樣重要。掌握全面的測試測量技能，是確保信號完整性、提升產(chǎn)品質(zhì)量的必由之路。

八、解決問題能力

?對于信號完整性工程師而言，仿真和測試只是手段，真正的核心是分析和解決問題的能力?，F(xiàn)代工程師能輕松獲取波形曲線，但理解其背后的意義和問題才是關(guān)鍵。例如，面對非單調(diào)波形，首先要識別其存在，隨后深入分析原因：是測試設備未校準、人為因素、測試點選擇不當，還是芯片或傳輸線問題等……準確診斷后，才能采取有效措施。因此，分析和解決問題的能力是信號完整性工程師不可或缺的核心能力。

九、仿真軟件助力

提高設計效率、縮短研發(fā)周期、迅速推向市場是信號完整性工作的關(guān)鍵。在產(chǎn)品設計初期，利用仿真軟件如ADS、Ansys designer、HFSS、SIwave、Hspice、Hyperlynx、Sigrity等，對關(guān)鍵信號進行模擬，有助于研發(fā)人員全面評估潛在風險并最小化之。熟悉至少一種仿真軟件，能顯著增強設計信心，提升工程師工作效率。

在探索信號完整性的旅程中，以上為大家系統(tǒng)地梳理了其在硬件設計中的核心地位。從總線協(xié)議到PCB設計，從材料選擇到高速互連器件的理解，每一個環(huán)節(jié)都彰顯著信號完整性的重要性。而測試測量與仿真軟件的應用，更是為信號完整性提供了有力的保障。信號完整性將持續(xù)引領(lǐng)硬件設計的發(fā)展，為創(chuàng)造更穩(wěn)定、更高效的電子產(chǎn)品奠定堅實基礎(chǔ)。

文中提到的華秋DFM軟件可以有效幫助大家驗證和學習，通過檢查設計規(guī)則，以確保生產(chǎn)出的PCB能夠滿足電氣性能要求，比如分析設計中的線寬、線距、過孔尺寸、層疊結(jié)構(gòu)等與信號傳輸質(zhì)量密切相關(guān)的參數(shù)，從而間接地保證信號的完整性。而在提升PCB制造質(zhì)量和效率的過程中，對于保證信號完整性的設計原則起到了輔助檢查和預防性糾錯的作用，有助于減少后期因設計缺陷導致的信號完整性問題。

華秋DFM軟件是國內(nèi)首款免費PCB可制造性和裝配分析軟件，擁有500萬+元件庫，可輕松高效完成裝配分析。其PCB裸板的分析功能，開發(fā)了19大項，52細項檢查規(guī)則，PCBA組裝的分析功能，開發(fā)了10大項，234細項檢查規(guī)則。

基本可涵蓋所有可能發(fā)生的制造性問題，能幫助設計工程師在生產(chǎn)前檢查出可制造性問題，且能夠滿足工程師需要的多種場景，將產(chǎn)品研制的迭代次數(shù)降到最低，減少成本。

華秋DFM軟件下載地址（復制到電腦瀏覽器打開）：

https://dfm.elecfans.com/dl/software/hqdfm.zip?from=fsyzlh

● 微信搜索【華秋DFM】公眾號，關(guān)注獲取最新可制造性干貨合集

審核編輯 黃宇