信号完整性产生的原因是什么

何为信号完整性？

信号完整性（SignalIntegrity）就是指威廉希尔官方网站 系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传输到接收端，我们就称该信号是完整的。

从广义上讲，信号完整性指的是在高速威廉希尔官方网站 设计中由互连线所引起的所有信号问题，包括噪声、串扰、反射、地弹、时序和阻抗等。

信号具备信号完整性，是指接收端能够收到符合逻辑电平要求、时序要求和相位要求的信号。在系统互连的设计中，需要研究互连线、传输的信号、过孔、连接器以及器件之间的互相影响。

对信号完整性的研究，可以归纳为以下四类：

单一网络的信号完整性问题；

两个或者多个网络间的串扰；

电源和地分配网络中的轨道塌陷；

来自整个系统的电磁干扰和辐射。

2、信号完整性产生原因

从信号完整性的根源上考虑，可以将产生信号完整性的原因分为以下几个：

1）信号上升时间变短。信号的上升时间变短，从频域的角度看，信号的带宽变宽，信号所对应的最高截止频率就变高，过高的信号频率在信号传输过程中主要变现为振铃、反射、串扰、地弹和电磁辐射等。从能量守恒的角度来看，高频部分的能量过多的消耗在信号传输路径上，从而导致接收端接收到的能量达不到阈值，不能达到datasheet要求的正确逻辑电平，从而就会导致逻辑电平的传输错误。

2）芯片的工作电压变低，噪声容限变小。随着半导体和封装技术的迅速发展，芯片的速度和低功耗要求更高，使得芯片的供电电压正在变得越来越低，从而导致其噪声容限变得越来越小，噪声容限变小，使得信号在遇到信号完整性的问题时，更容易出现电平值的错误翻转。

3）PCB器件布局及布线密度越来越高，寄生效应增强，串扰加大。随着现在集成威廉希尔官方网站 的集成度越来越高，功能越来越复杂，相应地要求集成威廉希尔官方网站 封装密度也越来越大，引线数越来越多，而体积越来越小，就导致PCB布局和布线的密度就不断加大。因为互连和器件的封装所带来的容性和感性的寄生效应越来越严重，加大了信号彼此之间的干扰，不仅同平面的信号和器件之间相互影响，相邻层面的信号之间的影响也越来越严重。

4）电源和地噪声所带来的信号高低电平阈值范围的缩小。在高频PCB板中，较重要的一类干扰便是电源噪声，电源和地平面的噪声来源主要有VRM、CoreIO跳变带来的噪声、平面谐振噪声、临近电源耦合的噪声和其他耦合的噪声等。所以应该尽可能减小电源的阻抗，最好有专门的电源层和接地层，这样回路总可以沿着阻抗最小的路径走，这样可以最小化信号回路，从而减小噪声。

信号的传输需要一个参考平面，当参考平面上有波动的噪声时，走线所参考的电动势也相应会发生变化，即信号所呈现的电平值是一个波动的范围。因为参考平面上噪声的存在，所以高低电平的阈值范围就会减小，甚至发生错误的翻转。又因为电源噪声的影响，使信号的噪声容限和时序容限变小，并带来一定的EMI干扰。

3、结语：

对信号完整性问题的研究，总的来说就是需要保证信号传输波形的完整和信号时序的完整。更进一步，如果对阻抗有更深入的理解，把器件之间互连线的物理设计和互连线的阻抗联系起来，就可以在PCB设计的过程中，从根本上对信号完整性问题进行量化分析，就能够消除很多潜在的信号完整性问题。

对于四类信号完整性问题，为了保证信号传输的质量，工程师在设计PCB走线时需要注意以下几点要求：

PCB走线时使信号在整个互连线平面的阻抗相同，PCB走线中要尽量避免直角和锐角走线，防止由于阻抗不连续造成信号的反射，产生EMI；

为减少网络之间的串扰，应尽量加大走线之间的距离（差分线除外），并使走线与其非理想的返回路径之间的互感最小，可以有效的抑制串扰；

设计层叠时，在满足阻抗要求的条件下，应尽量使信号层靠近参考面，使得传输线可以紧密的与参考面进行耦合，从而减少相邻信号线间的串扰；

在布线空间允许的条件下，在串扰比较严重的两条信号线之间插入一条地线，可以减少两条信号线间的耦合，从而减小串扰；

为了减少轨道塌陷的幅度，需要使电源/地路径的阻抗尽量减小，必要时电源与地平面之间可添加符合谐振特性的去耦电容，减小EMI噪声；

为减小电磁干扰，应尽量减小传输信号的带宽，并尽量使地阻抗达到最小。

在进行PCB设计时考虑到PCB设计的实际操作，在操作中需要考虑的因素主要有PCB的叠层架构、阻抗、器件互连的拓扑结构、延迟、串扰、反射、地弹、时序、电源完整性和电磁干扰分析（EMC和EMI）等。
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