信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)架構(gòu)

在模擬電路時(shí)期以及模擬向數(shù)字信號(hào)過渡的初期，由于電路的信號(hào)速度并不高，這個(gè)時(shí)候信號(hào)完整性的問題并不突出。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)的傳輸速度飛速提升，此時(shí)信號(hào)完整性才從以前從屬于Layout中獨(dú)立成了一個(gè)單獨(dú)的發(fā)展方向。

信號(hào)完整性畢竟是一個(gè)新興的學(xué)科，在國(guó)內(nèi)依然處于剛起步發(fā)展不久的一個(gè)狀態(tài)，除了大型公司或者研究院之類的，很少會(huì)設(shè)立相關(guān)的專職崗位。但這并不代表信號(hào)完整性不重要，恰恰相反，信號(hào)完整性會(huì)隨著科技的進(jìn)步，變得愈加重要。這點(diǎn)相信很多硬件或是Layout工程師已經(jīng)感受到了。

學(xué)習(xí)信號(hào)完整性整體而言還是相對(duì)困難的，難點(diǎn)主要在于相關(guān)的資料太少。不像學(xué)習(xí)Layout，可以有大量的資料參考，你遇到的問題也有無(wú)數(shù)人遇到，通過搜索引擎可以解決幾乎全部的問題。但是信號(hào)完整性不一樣，很多沒有現(xiàn)成可供參考的資料，需要自己去讀原廠的文檔，去逐句的看軟件的幫助資料，然后摸索解決問題。

這里簡(jiǎn)單的描述一下信號(hào)完整性中需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，希望能給剛?cè)腴T的小伙伴們提供一個(gè)大致的方向，或是通過這個(gè)簡(jiǎn)單的了解下信號(hào)完整性主要關(guān)注點(diǎn)。

傳輸線

傳輸線的定義是有信號(hào)回流的信號(hào)線，最常見的傳輸線也就是我們PCB板上的走線。關(guān)于傳輸線的分析，是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。

傳輸線我們需要考慮的有很多，比如：信號(hào)線走表層和內(nèi)層有什么區(qū)別？那一層更適合高速信號(hào)？銅皮的表面粗糙度，介質(zhì)的玻纖效應(yīng)會(huì)帶來怎樣的影響？怎么選擇合適的板材？這些都是傳輸線需要考慮的內(nèi)容。

這里我們以關(guān)注度最高的損耗為例，看一下選擇不同的板材，會(huì)對(duì)信號(hào)有什么影響：

反射

反射是一個(gè)大類，里面的知識(shí)點(diǎn)非常多。關(guān)于反射，簡(jiǎn)單的解釋就是阻抗不匹配就會(huì)引起反射。

而反射帶來的影響，也是種類繁多。

反射從概念上很好理解，但實(shí)際操作起來，遠(yuǎn)不是我們?cè)赟I9000里面計(jì)算好阻抗值，然后用這個(gè)值去走線這么簡(jiǎn)單。我們需要考慮的有很多，比如端接方式的選擇，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，線路中存在的分支，STUB，容性負(fù)載等等都是需要考慮的地方。

串?dāng)_

串?dāng)_也是一個(gè)耳熟能詳?shù)母拍盍耍?W原則早就深入人心。關(guān)于串?dāng)_的基礎(chǔ)知識(shí)，主要是在近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、串?dāng)_飽和以及串?dāng)_的影響和如何減輕串?dāng)_方面。

通常我們的認(rèn)知里串?dāng)_是通過耦合影響鄰近線的信號(hào)質(zhì)量。因此在這里從另外的角度舉個(gè)例子，關(guān)于我們繞等長(zhǎng)的繞線方式。

下面的圖中可以看見，同樣長(zhǎng)度的走線，信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差異巨大。造成差異的原因就是繞線導(dǎo)致了自耦合，使得信號(hào)提前到達(dá)。

等真正將串?dāng)_了解清楚之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)以前奉為圭臬的3W原則其實(shí)有著非常大的局限性，并不是萬(wàn)能的。

S參數(shù)

之前針對(duì)損耗、反射、串?dāng)_的分析都只是針對(duì)某一個(gè)指標(biāo)來單獨(dú)分析。但實(shí)際上我們的走線可能上述各種問題都存在，需要綜合起來整體考慮。這個(gè)時(shí)候就需要用到S參數(shù)。

某種程度上來說通過S參數(shù)可以描述我們無(wú)源通道的全部特性，整個(gè)傳輸鏈路質(zhì)量怎么樣，看S參數(shù)就知道了。

信號(hào)分析

前面已經(jīng)得到了S參數(shù)，相當(dāng)于在一個(gè)傳輸通道中，關(guān)于通道的信息就全部具備。接下來要做的，就是加上輸出激勵(lì)及接收端的模型，這樣就可以獲得具體的信號(hào)波形以及眼圖等信息。

這個(gè)激勵(lì)，可以是一個(gè)理想的信號(hào)源，也可以是IBIS模型或是SPICE模型等。有了激勵(lì)和接收端的特性，有了S參數(shù)，這樣整個(gè)一個(gè)信號(hào)從輸出到接收端的行為就可以描述出來。我們?cè)俑鶕?jù)結(jié)果分析信號(hào)質(zhì)量并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化即可。

總結(jié)

信號(hào)完整性里面的知識(shí)點(diǎn)紛繁復(fù)雜，上面所羅列的只是最最基礎(chǔ)的部分，更為深入的知識(shí)遠(yuǎn)不是一篇文章能說清楚的，需要大家逐步去了解。但也正是這些大家耳熟能詳?shù)闹R(shí)點(diǎn)，構(gòu)成了信號(hào)完整性的基礎(chǔ)。