什么因素導致信號完整性問題?

當信號被傳輸時，由于阻抗和其他影響，接收到的信號總是失真的。這就是為什么設(shè)計者致力于最小化對信號質(zhì)量的影響。

設(shè)計者試圖通過限制電子噪聲、電感耦合、電容和線電阻改變信號形狀和振幅的程度來實現(xiàn)信號的完整性。隨著信號頻率的增加，這些效應(yīng)被放大，需要特別注意控制它們在電子電路中的不良影響。許多印刷電路板現(xiàn)在以10千兆赫或更高的數(shù)字信號頻率工作，這意味著需要采取適當?shù)拇胧﹣矸乐共豢山邮艿男盘柾嘶捌湎鄳?yīng)的錯誤。

什么是PCB中的信號完整性？

信號完整性（SI）表示信號沿PCB線路傳播而不失真的能力。信號完整性是指通過傳輸線的信號質(zhì)量。當信號從驅(qū)動器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器時，它給出了信號衰減量的測量值。這個問題在較低的頻率下不是主要的問題，但是當PCB以更高的速度和高頻（>50MHz）工作時，這是一個需要考慮的重要因素。在高頻區(qū)，數(shù)字和模擬信號都需要考慮。

當一個信號從驅(qū)動器傳播到接收器時，它不會保持不變，不管最初發(fā)送的是什么，都會受到不同程度的失真。這種信號失真是由阻抗失配、反射、振鈴、串擾、抖動和地面反彈等因素造成的。設(shè)計者的首要目標應(yīng)該是最小化這些因素，這樣原始信號就可以以最小的失真到達目的地。此外，還需要特別注意保持信號質(zhì)量并控制其在電子電路中的不良影響。

在這里，我們將討論潛在的信號完整性問題，它們的來源，理解它們的重要性，以及我們?nèi)绾畏治龊徒鉀Q這些問題。關(guān)于電氣設(shè)計，信號完整性應(yīng)該集中在兩個主要方面：定時和信號質(zhì)量。

信號是否在規(guī)定的時限內(nèi)到達目的地？

當它到達目的地時，狀況是否良好？

有幾個因素導致信號退化。這些包括信號的特性、系統(tǒng)阻抗、傳播延遲、衰減、串擾、電壓波動和電磁干擾。

為什么保持信號完整性是一個挑戰(zhàn)？

保持信號完整性是指確保系統(tǒng)內(nèi)可接受的信號質(zhì)量。

快速的技術(shù)進步使得系統(tǒng)開發(fā)者很難在接收端保持不失真的信號。帶寬的增加是信號完整性的瓶頸。今天的電子產(chǎn)品需要更快的總線周期時間、增強信號處理時間（以納秒為單位），甚至需要更快的上升時間。

電路板的空間要求也會影響信號的完整性。PCB仍然需要足夠的空間來放置集成電路、連接器和無源元件。這個空間會導致部件之間的距離變大，從而導致延遲。我們都知道距離會降低整個系統(tǒng)的速度。當由上升時間小于4到6納秒的信號驅(qū)動時，電路板跡線充當傳輸線。在低頻下，一個跡線的電阻特性發(fā)揮作用。另一方面，在高頻下，它開始充當電容器，電感。

什么因素導致信號完整性問題？

信號特性、系統(tǒng)阻抗、傳輸延遲、衰減、串擾、電壓波動和電磁干擾等因素都會導致信號失真，從而導致信號完整性問題。

信號特性：理想情況下，數(shù)字信號是方波，但實際上，信號從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)需要一些時間。所以，這就是為什么，總是存在一定程度的信號失真。信號的上升時間決定了可能的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，通常通過評估信號的拐點頻率來測量。電路設(shè)計者的目標是實現(xiàn)一個電路在所有頻率到信號拐點頻率的平坦響應(yīng)。

互連效應(yīng)：理想的互連只會在信號中引入延遲，但實際上，它也會改變信號的timing和幅度。這種偏差分別稱為抖動和振幅噪聲。

阻抗：信號所看到的阻抗變化會引起反射、響鈴和失真。隨著與數(shù)字電路相關(guān)的信號頻率的增加，干擾程度加劇。PCB跟蹤分支、線頭、連接器引腳和過孔都會產(chǎn)生阻抗不連續(xù)性。

傳播延遲：傳播距離不同或通過不同媒介的信號不會同時到達目的地。這些差異稱為信號偏移，會導致信號采樣誤差，特別是在高時鐘頻率下。

衰減：信號的振幅會因PCB線路的電阻和電路板的介電損耗因子而降低。這種效應(yīng)在高頻下更為明顯，因為信號往往在高頻下沿跡線表面?zhèn)鞑ァＫp會導致緩慢的信號上升時間，并增加數(shù)據(jù)錯誤的可能性。

串擾：由于電感和電容耦合，快速的電壓和電流轉(zhuǎn)換會在相鄰的線路上產(chǎn)生電壓。這些電壓尖峰被稱為串擾，可能導致數(shù)據(jù)錯誤。

反射：反射是由終端和電路板布局問題引起的，其中輸出信號反彈回源并干擾脈沖。

接地彈跳：由于電流過大，電路的接地參考電平從原來的水平偏移。這是由于接地電阻和互連電阻，如連接線和跡線，因此，接地中不同點的接地電壓水平將不同。這被稱為接地反彈，因為接地電壓將隨電流變化。

電源電壓波動：當設(shè)備切換時，流動的電流會在電源和接地軌道上產(chǎn)生電壓降。這反過來又會導致每個設(shè)備的電源電壓波動，累積的影響會產(chǎn)生噪音并可能導致高誤碼率。

電磁干擾（EMI）：每一次開關(guān)操作都會產(chǎn)生一定量的噪聲，并且由于器件在時鐘頻率下進行開關(guān)，其強度會被放大。這種噪聲可以被用作天線的跡線輻射。輻射信號的強度與開關(guān)頻率成正比，并可能導致不必要的干擾。
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