信號完整性對于高速電路設(shè)計的重要性分析

廖傳柱

1 信號完整性基礎(chǔ)理論在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

在延遲、反射、串?dāng)_、時序、振蕩等幾個方面都能體現(xiàn)出信號的完整性。信號完整性一般在系統(tǒng)工作在50MHz時會出現(xiàn)問題，而這種問題會在器件頻率及系統(tǒng)不斷加速運轉(zhuǎn)的過程中更加明顯。信號完整性出現(xiàn)問題一般是由多方面原因引起的，高速信號的布線、PCB板中元器件的布局以及PCB板和元器件的參數(shù)等因素都可能影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。與過去相比，現(xiàn)在的應(yīng)用硬件與軟件的種類、屬性、質(zhì)量等都有所改變。(1)IC芯片的體積越來越小，其接入線路越來越復(fù)雜，數(shù)目也越來越多;同時，信號頻率也在不斷提高。(2)中央處理器的運行頻率越來越高，這就使得信號邊沿運行產(chǎn)生了一定的風(fēng)險。由于此類高速運行的硬件性能的提高不易實現(xiàn)，所以通常在對待信號傳輸問題上會出現(xiàn)漏洞。(3)高速電路中的信號完整性是由面板上眾多硬件的性能差距共同導(dǎo)致的。信號振鈴和環(huán)繞振蕩來源于電容的敏感性，其中欠阻尼狀態(tài)下就會產(chǎn)生振鈴，過阻尼狀態(tài)就出現(xiàn)了環(huán)繞振蕩［1］。電源與負(fù)載極阻抗的不對應(yīng)會產(chǎn)生信號的反射，前者小于后者將會出現(xiàn)反射正電壓的情況，反之則會出現(xiàn)反射負(fù)電壓。

2 信號完整性對于高速電路設(shè)計的意義

伴隨著集成電路規(guī)模的擴(kuò)大、板面內(nèi)線路密度的增加、時鐘速率的增加，信號完整性是高速電路設(shè)計中的重要一環(huán)，其對于高速電路設(shè)計的重要意義可以歸納為三點:(1)能有效地提高硬件設(shè)計的水平，尤其對于信號匹配類型的科學(xué)選定，以及連接器信號的分布確認(rèn)等。(2)解決高速電路板設(shè)計的難題，有利于對不同頻率的信號質(zhì)量做好前期的確認(rèn)分析。(3)在信號質(zhì)量出現(xiàn)問題以后能快速定位和診斷以排除故障。

3 導(dǎo)致信號完整性出現(xiàn)問題的因素

3.1 傳輸線反射

信號在傳輸線中傳導(dǎo)時，被瞬時的阻抗所阻礙，其必然在第一時間發(fā)生反射，對之后的信息進(jìn)行反彈;同時，其余的信息由于被進(jìn)行了削減，所以會在失真的情況下進(jìn)行繼續(xù)傳播，這樣信號的強(qiáng)度與質(zhì)量均無法保證了。傳輸線的信號反射可能出現(xiàn)在連線的任何位置，其阻抗源以及反射規(guī)模的測定需要專業(yè)工具來進(jìn)行，檢測的結(jié)果通過合理分析就能完成滿足系統(tǒng)性能要求的設(shè)計。一者要確保阻抗的固定;二者也要保持阻抗在可控范圍內(nèi)，且能適時調(diào)整。

3.2 串?dāng)_

在一般網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，信號傳播的指向性也會出現(xiàn)偶然的偏差。串?dāng)_有以下幾個顯著的特點:(1)串?dāng)_存在著根本的偶然性，由于其自身的相互特點，所以干擾源與被干擾者相互存在，且位置可逆。(2)串?dāng)_依賴于連線的屬性，線間距越大，串?dāng)_程度越小;連線的平行長度越長，串?dāng)_程度越大。(3)串?dāng)_呈現(xiàn)周期性與信號頻率成正比。(4)在其他條件一定的情況下，電路負(fù)載越大，串?dāng)_程度越高。對于串?dāng)_的問題，有幾點預(yù)防和減輕的通用辦法:(1)將端接匹配應(yīng)用到高速信號線中，以減輕反射的方法側(cè)面減輕串?dāng)_。(2)擴(kuò)大線間距或減少連線的平行長度，從本質(zhì)屬性上根本減少串?dāng)_。(3)在串?dāng)_雙線中間加入地線，通過第三方的方式分擔(dān)信息，吸收電流，從而減輕串?dāng)_。

3.3 電磁干擾

在板級時鐘頻率達(dá)到百兆赫茲以上時就會出現(xiàn)電磁干擾的現(xiàn)象。常見的電磁干擾源有兩種，一是差分信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后在外部電纜輸出的情況，二是電路板上的地彈在外部單端屏蔽上產(chǎn)生共模電流［2］。

4 保證信號完整性的方法

4.1 阻隔元件

依據(jù)PCB板上的元件邊值的差異，對有風(fēng)險的元器件進(jìn)行空間阻隔，在PCB板中將電源、某端口等位置部件進(jìn)行布局阻隔，可以選擇在隔離一區(qū)中設(shè)置時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在相鄰于噪聲器件的附近。噪聲將會耦合到敏感電路。在隔離的另一個位置做有效的電路隔離將有利于系統(tǒng)設(shè)計的信號完整性。

4.2 進(jìn)行終端匹配、反射以及阻抗操作

設(shè)計高速電路的過程中容易出現(xiàn)問題的就是信息完整性方面的缺失，而造成信息完整性缺失多是由終端匹配以及阻抗控制引起的。(1)發(fā)射設(shè)備的輸出端及接收設(shè)備的輸入端之間出現(xiàn)數(shù)字信號反射的狀況，而被反射的數(shù)字信號經(jīng)彈回后沿線的兩端傳播，并不斷吸收，最終消失。(2)傳輸線在反射信號的作用下會出現(xiàn)響鈴效應(yīng)，進(jìn)而對信號時延以及電壓產(chǎn)生影響，導(dǎo)致信號惡化的嚴(yán)重后果。(3)失配信號傳輸?shù)姆绞讲磺‘?dāng)，容易造成輻射信號環(huán)境的狀況。解決以上問題需要幾個綜合性的辦法相配合。通過終端電阻值減少克服阻抗不匹配的問題，主要措施可以通過串聯(lián)多個電阻的方式解決。一些反射的能量會被終端電阻吸收，而且終端電阻還會對信號上升所需要的時間產(chǎn)生影響。進(jìn)行阻抗匹配的操作雖然只會對一些影響因素進(jìn)行清理，但是在終端阻抗的作用下，利用合適的器件能達(dá)到保護(hù)信號的完整性的效果。

5 信號的完整性仿真分析措施以及工具

5.1 SPICE 仿真模擬

早在20世紀(jì)70年代，SPICE仿真模擬技術(shù)就產(chǎn)生了。由于硬件的更新?lián)Q代以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，加之對分析完整精確性的要求提高，SPICE仿真模擬也在積極進(jìn)行升級換代，Pspice的出現(xiàn)就是很好的證明［3］。SPICE仿真模擬憑借其精密的元件模擬技術(shù)，能對幾乎所有的電路進(jìn)行模擬分析。SPICE仿真模擬系統(tǒng)由無源器件、半導(dǎo)體元件、數(shù)個電源裝置構(gòu)成。SPICE仿真模擬可以專門解決電壓比較器的電路模擬，且對多種電路都能進(jìn)行較為精確的模擬。雖然SPICE仿真模擬在模擬技術(shù)上有著不可代替的作用，但在對板極進(jìn)行仿真模擬的問題上，其存在著嚴(yán)重的不足。一方面表現(xiàn)在其應(yīng)用的復(fù)雜程度，即對于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用而言，制作成本太高且過程繁瑣;另一方面則是SPICE仿真模擬模型格式?jīng)]有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由于其著眼于元件特性，所以不同的模擬模型往往不兼容。

5.2 IBIS模型

與SPICE仿真模擬不同，IBIS模型的優(yōu)勢是能使宏觀的數(shù)據(jù)分析更加順暢，其信號完整性的測試也更加直觀。(1)與SPICE仿真相比，IBIS模型的效率更高，且不存在收斂性問題。(2)由于IBIS模型建立中，其對于數(shù)據(jù)的獲得以及繪制表格都是直接測得的，能夠使其操作幾乎不依靠設(shè)計生產(chǎn)者，這就為制作提供了極大的便利，操控性也增強(qiáng)。(3)IBIS模型具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，仿真器以及各種器件的獲得更加便捷、穩(wěn)定［4］。

［1］方國華，劉文斌，余志勇.基于IBIS的模型信號完整性仿真分析［J］.計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，2004(6):68－71.

［2］李朝輝.高速數(shù)字電路的設(shè)計與仿真［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2006.

［3］朱滔.信號完整性原則在高速設(shè)計中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代有限傳輸，2003(2):58－62.

［4］李勇明.高頻PCB設(shè)計中出現(xiàn)的干擾分析及對策［J］.電子工藝技術(shù)，2003(1):13－15.