信号完整性中需要掌握的基础知识架构

在模拟电路时期以及模拟向数字信号过渡的初期,由于电路的信号速度并不高,这个时候信号完整性的问题并不突出。随着技术的发展,数字信号的传输速度飞速提升,此时信号完整性才从以前从属于Layout中独立成了一个单独的发展方向。

信号完整性毕竟是一个新兴的学科,在国内依然处于刚起步发展不久的一个状态,除了大型公司或者研究院之类的,很少会设立相关的专职岗位。但这并不代表信号完整性不重要,恰恰相反,信号完整性会随着科技的进步,变得愈加重要。这点相信很多硬件或是Layout工程师已经感受到了。

学习信号完整性整体而言还是相对困难的,难点主要在于相关的资料太少。不像学习Layout,可以有大量的资料参考,你遇到的问题也有无数人遇到,通过搜索引擎可以解决几乎全部的问题。但是信号完整性不一样,很多没有现成可供参考的资料,需要自己去读原厂的文档,去逐句的看软件的帮助资料,然后摸索解决问题。

这里简单的描述一下信号完整性中需要掌握的基础知识点,希望能给刚入门的小伙伴们提供一个大致的方向,或是通过这个简单的了解下信号完整性主要关注点。

传输线

传输线的定义是有信号回流的信号线,最常见的传输线也就是我们PCB板上的走线。关于传输线的分析,是基础中的基础。

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传输线我们需要考虑的有很多,比如:信号线走表层和内层有什么区别?那一层更适合高速信号?铜皮的表面粗糙度,介质的玻纤效应会带来怎样的影响?怎么选择合适的板材?这些都是传输线需要考虑的内容。

这里我们以关注度最高的损耗为例,看一下选择不同的板材,会对信号有什么影响:

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反射

反射是一个大类,里面的知识点非常多。关于反射,简单的解释就是阻抗不匹配就会引起反射。

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而反射带来的影响,也是种类繁多。

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反射从概念上很好理解,但实际操作起来,远不是我们在SI9000里面计算好阻抗值,然后用这个值去走线这么简单。我们需要考虑的有很多,比如端接方式的选择,拓扑结构的选择,线路中存在的分支,STUB,容性负载等等都是需要考虑的地方。

串扰

串扰也是一个耳熟能详的概念了,3W原则早就深入人心。关于串扰的基础知识,主要是在近端串扰、远端串扰、串扰饱和以及串扰的影响和如何减轻串扰方面。

通常我们的认知里串扰是通过耦合影响邻近线的信号质量。因此在这里从另外的角度举个例子,关于我们绕等长的绕线方式。

下面的图中可以看见,同样长度的走线,信号的到达时间差异巨大。造成差异的原因就是绕线导致了自耦合,使得信号提前到达。

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等真正将串扰了解清楚之后,就会发现以前奉为圭臬的3W原则其实有着非常大的局限性,并不是万能的。

S参数

之前针对损耗、反射、串扰的分析都只是针对某一个指标来单独分析。但实际上我们的走线可能上述各种问题都存在,需要综合起来整体考虑。这个时候就需要用到S参数。

某种程度上来说通过S参数可以描述我们无源通道的全部特性,整个传输链路质量怎么样,看S参数就知道了。

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信号分析

前面已经得到了S参数,相当于在一个传输通道中,关于通道的信息就全部具备。接下来要做的,就是加上输出激励及接收端的模型,这样就可以获得具体的信号波形以及眼图等信息。

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这个激励,可以是一个理想的信号源,也可以是IBIS模型或是SPICE模型等。有了激励和接收端的特性,有了S参数,这样整个一个信号从输出到接收端的行为就可以描述出来。我们再根据结果分析信号质量并进行相应的优化即可。

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总结

信号完整性里面的知识点纷繁复杂,上面所罗列的只是最最基础的部分,更为深入的知识远不是一篇文章能说清楚的,需要大家逐步去了解。但也正是这些大家耳熟能详的知识点,构成了信号完整性的基础。

本文转载自: PCB设计与信号完整性仿真(作者:十四岁的十四)
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