信號完整性學(xué)習(xí)筆記

1.前言

信號完整性（Signal Integrity，SI）是指電路系統(tǒng)中信號的質(zhì)量，如果在要求的時間內(nèi)，信號能不失真地從源端傳輸?shù)浇邮斩?，我們就稱該信號是完整的。它是現(xiàn)代通信領(lǐng)域中一個至關(guān)重要的概念，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，我們面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，如信號失真、干擾和衰減等問題。因此，了解和掌握信號完整性的原理和方法變得尤為重要。

于博士是信號完整性領(lǐng)域的權(quán)威專家，最近正在學(xué)習(xí)他的視頻課程，該課程提供了豐富的理論知識和仿真數(shù)據(jù)，使我們能夠深入了解信號完整性的基本概念以及信號在傳輸過程中的每一個細(xì)節(jié)。本文屬于邊看邊記錄形成的學(xué)習(xí)筆記，內(nèi)容可能還不太全面，希望能給正在研究SI的你提供一些幫助。

2.信號

當(dāng)信號從源端傳輸?shù)浇邮斩藭r，往往會受到多種因素的影響而發(fā)生畸變，如下圖所示。這些影響因素包括但不限于干擾、信號反射和傳輸損耗等。干擾可能來自外部環(huán)境或其他電子設(shè)備，導(dǎo)致信號出現(xiàn)“毛刺”；信號在傳輸過程中遇到阻抗不連續(xù)或不均勻介質(zhì)時，可能發(fā)生反射現(xiàn)象，進(jìn)而影響信號的完整性；此外，信號在傳輸過程中還會因為電纜、光纖等介質(zhì)的特性而發(fā)生一定的損耗，使得接收端接收到的信號與源端發(fā)出的信號存在差異。

本文主要針對信號反射這一現(xiàn)象，進(jìn)行原理性的探究。信號反射的產(chǎn)生主要源于傳輸線阻抗不匹配所引起的邊界反射，它會導(dǎo)致信號的部分能量被反射回原始傳輸線路，形成多路徑傳播，從而影響接收端的信號質(zhì)量。

3.信號傳輸

在學(xué)習(xí)信號反射之前，首先要理解什么是信號的傳輸以及返回電流。

先來講講信號的傳輸，我們在看信號完整性時，要把它理解為一個動態(tài)的過程：信號它是有一定的傳輸速度的，并且是一段一段往前傳輸?shù)?，就像水波、浪頭一樣。

一般來說，信號的傳輸速度約為6inch/ns，所以當(dāng)信號加載到傳輸線上之后，電壓（電流）不會同步出現(xiàn)在傳輸線的所有位置，前面的位置最先發(fā)生信號的變化，而后面的位置需要經(jīng)過一段時間才會有電壓（電流）的變化。以下圖為例，信號在發(fā)出后（源信號是從0到1的變化電平），A點在1ns之后變高、B點是2ns變高、C點則是3ns才變高。

那什么是返回電流呢？我把它理解為電生磁、磁生電的一個過程，如下圖所示：信號在黃色的傳輸線上傳輸、下方綠色的參考層也會出現(xiàn)對應(yīng)的返回電流。返回電流有兩個特點：一是和源信號電流同時出現(xiàn)，二是和源信號電流大小完全相同。

這里用一個仿真來驗證返回電流的特性：設(shè)置一個信號激勵源，從0V到1V，上升時間為1ns，R1為輸出阻抗50Ω，1層和2層是相鄰的兩層，1層的特性阻抗Z=50Ω，R2是50MΩ的電阻（約等于開路），分別在1層輸出端和2層加一個電流表。

下圖藍(lán)色的是1層輸出端的源電流、紅色的是2層端的返回電流，可以看到兩個信息：

1、返回電流和源端電流同時出現(xiàn)；

2、返回電流和源端電流大小相等（但是按照傳統(tǒng)電路的計算方式，2層電流不可能有10mA，因為1V/50MΩ=20nA）。

那10mA是怎么來的呢？此時就要按照前面提到的動態(tài)思維來解釋了，電壓像浪頭一樣往前進(jìn)時，它在一開始出發(fā)時只感受到了輸出阻抗R1=50Ω和1層的特性阻抗Z=50Ω，并未感受到后級的50MΩ電阻，所以1V/(50+50)Ω=10mA。同時下圖的紅色返回電流也符合上述的兩個特點。

但顯然，這個10mA不可能一直持續(xù)下去，最后電流一定會穩(wěn)定在20nA左右。繼續(xù)把仿真時間拉長，可以看到電流趨近于0（或者說20nA），這是因為發(fā)生了信號的反射，文章后面會詳細(xì)解釋為什么會和原來的抵消。信號傳輸過去需要1個ns、返回也需要1個ns，所以在2ns的地方開始下降。當(dāng)源端信號電流幾乎為0后，返回電流也就變成了0。

通過對返回電流的學(xué)習(xí)，我們可以試著理解一下像是485和CAN總線為什么需要使用雙絞線，主要是為了實現(xiàn)兩個目的：

一是減少串?dāng)_的問題：通過兩根導(dǎo)線之間的相互纏繞，可以有效地抵消來自周圍環(huán)境的電磁干擾；從485或者CAN信號來看，讓兩根線收到相同的干擾，做差分之后，共模干擾被消除。

二是可以防止信號的波形發(fā)生扭曲或畸變：這是因為在高頻傳輸時，線路內(nèi)部會出現(xiàn)“返回電流”；而雙絞線的兩根線可以近似看做垂直，返回電流無法形成連續(xù)的電流，“切斷”這部分的電流干擾后，可以進(jìn)一步減少了噪聲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4.特性阻抗

在平時的學(xué)習(xí)或工作中，常常聽到要把天線走線的特性阻抗做成50Ω，那什么是特性阻抗呢？下圖是一個理想無損傳輸線的等效模型：信號路徑上有n個等效電感、信號路徑+參考路徑形成了n個等效電容，特性阻抗Z就是單位長度下的等效電感和電容的關(guān)系式：Z=根號下L/C。注：一旦信號穩(wěn)定（可以理解變成直流信號），雖然還是存在著等效電感和電容，但對該穩(wěn)定信號不再產(chǎn)生影響。

影響特性阻抗的因素主要是以下幾個：線寬、銅箔厚度、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)。線寬越大，電感越小、電容越大，特性阻抗就越小；銅箔越厚，電感越小，特性阻抗就越?。唤殡姵?shù)越大，電容越大，特性阻抗就越??；介質(zhì)厚度越小，電容越大，特性阻抗就越小。特性阻抗只考慮單位長度，與實際長度無關(guān)。

5.信號反射

從動態(tài)思維的角度出發(fā)，信號感受的永遠(yuǎn)都是“瞬時阻抗”，如果是均勻的傳輸線，那么瞬時阻抗恒定；但如果傳輸線的線寬、銅箔厚度、介質(zhì)厚度或介電常數(shù)任意參數(shù)發(fā)生了變化，信號就會發(fā)生反射。反射的波形主要有下圖所示的幾個類型：最上面的是振鈴、左下角是邊沿不單調(diào)（也叫信號回溝）、右下角是邊沿臺階。

那么當(dāng)阻抗不連續(xù)時，信號為什么會發(fā)生反射呢？很多教科書是這么寫的，大概意思是如果此時不反射，宇宙都會毀滅。

于博士在他的課程里是這么解釋的，如下圖，假設(shè)Z1=50Ω、Z2=75Ω，Z1=V1/I1、Z2=V2/I2。但在分界點，電壓和電流是連續(xù)的、不會突變、必定相等，因此V1=V2，I1=I2。這樣就得到了Z1=Z2，和前面的假設(shè)相矛盾。

此時就可以用信號反射來解釋：已知源信號電壓=1V、源電流=1V/50Ω=20mA，電壓反射回來0.2V、電流反射回來4mA，也就是V1=V2=1+0.2=1.2V，I1=I2=20-4=16mA，最終得到Z1和Z2上的電壓電流都是1.2V和16mA，1.2V/16mA=75Ω。

那為什么返回電壓是0.2V，傳輸?shù)胶竺娴碾妷河质?.2V呢？這里就涉及到了反射的兩個概念：一是反射系數(shù)、二是傳輸系數(shù)。具體公式如下：以Z1=50Ω、Z2=75Ω為例，反射系數(shù)=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=0.2、傳輸系數(shù)=2*Z2/(Z2+Z1)=1.2。假設(shè)源電壓=1V，那么反射電壓=0.2V，后級傳輸電壓=1.2V。

下面再用一個仿真波形來還原一下整個反射的過程，信號發(fā)射源是一個從0V到2V、且上升時間為0的理想波形，其輸出阻抗為50Ω，第一段傳輸線的特性阻抗Z1=50Ω、傳輸時間是1ns，第二段傳輸線的特性阻抗Z2=75Ω、傳輸時間也是1ns，最后的負(fù)載為R2=75Ω。

左下圖是Vin和Vcenter的電壓信號、右下圖是Vend的電壓信號。Vin一開始是1V（輸出阻抗50Ω和線束阻抗50Ω分壓的關(guān)系），1ns之后1V傳輸?shù)絍center的位置，此時瞬間發(fā)生反射，反射系數(shù)0.2，也就是0.2V，所以Vcenter馬上變成1.2V。再經(jīng)過1ns，Vin也因為0.2V的反射電壓被抬高至1.2V。Vend因為沒有反射（Z2=R2=75Ω），所以2ns后就是Vcenter的電壓1.2V。整個系統(tǒng)的電壓最后穩(wěn)定在1.2V，1.2V=2/（R1+R2）*R2=2/125*75，也符合傳統(tǒng)電路的計算結(jié)果。

信號反射存在著兩種極端情況：第一種是后級開路、反射系數(shù)=1，第二種是后級短路、反射系數(shù)=-1。

先介紹開路的情況，假設(shè)源信號是0至1V的理想階躍信號，它在輸出后要先進(jìn)行分壓（紅線Vin_open=0.5V是因為信號源+輸出阻抗R1是一個整體，信號在開始傳輸瞬間就遇到了Z=50Ω的阻抗，所以此時要考慮分壓），在1個單位時間后藍(lán)線Vend_open變?yōu)?V（Vin_open=0.5V+反射0.5V=1V），在2個單位時間后紅線Vin_open受到反射信號的疊加，也變?yōu)?V。

其次是短路的情況，下圖藍(lán)線Vin_short一開始也等于0.5V，在1個單位時間后紅線Vend_short變?yōu)?V（Vin_open=0.5V-反射0.5V=0V），在2個單位時間后藍(lán)線Vin_short受到反射信號的疊加，也變?yōu)?V。

以上注意區(qū)分R和Z，Z對于最后穩(wěn)定的信號（直流）是沒有影響的。第一種開路情況，最后穩(wěn)定在1V；第二種短路情況，最后穩(wěn)定在0V，這都符合傳統(tǒng)電路的計算方式。

5.1信號振鈴

了解了基本的反射知識點，我們再來看看信號振鈴又是怎么形成的，從信號圖上來看，這里應(yīng)該有多次的反射過程。

還是用仿真的手段來還原整個過程：假設(shè)源電壓是0~3.3V理想信號，輸出阻抗=10Ω，線束特性阻抗Z=50Ω，末端開路，即前級反射系數(shù)=-2/3，后級反射系數(shù)=1。信號在一開始進(jìn)入傳輸線時，電壓=3.3V/（10+50）*50=2.75V（此時不用考慮反射，原因是輸出信號和10歐姆是一個整體，它感受到的第一個阻抗就是50Ω，也就沒有所謂的阻抗不連續(xù)，）。經(jīng)過第一次反射，B點電壓變?yōu)?.75+2.75=5.5V，第二次反射信號的反射電壓變?yōu)?.75*（-2/3）=-1.83V，經(jīng)過第三次反射且到達(dá)B點，B點電壓變?yōu)?.5-1.83-1.83=1.84V，以此類推。

這里只考慮變化信號的反射，測量的是后級B點的電壓，從理論上來看，電壓就是從0V到5.5V、再到1.84V、再到4.28V……最后穩(wěn)定在3.3V，這也符合傳統(tǒng)電路的計算方式。上述電壓計算的波形圖如下所示：

經(jīng)過上述的仿真和分析，我們可以得出振鈴形成的條件：1、驅(qū)動低輸出阻抗；2、接收高阻抗；3、高低電平的持續(xù)時間遠(yuǎn)大于傳輸線往返延遲。當(dāng)然，下圖紅色的振鈴是理想波形，實際波形必定有一定的上升時間，下圖藍(lán)色波形才符合現(xiàn)實情況。

5.2信號回溝

振鈴形成的條件我們已經(jīng)清楚，下面再來分析一下信號回溝的形成原因，還是用仿真來做一個直觀的解釋：下圖的信號源是0~2V的信號源，輸出阻抗為R3=50Ω、線束阻抗Z=50Ω、末端是一個8pF的電容。

下圖紅線是理想的階躍信號，信號1ns后傳輸?shù)紺1的位置，但此瞬間C1可以看做是短路，因此反射系數(shù)=-1，2ns后反射信號到達(dá)源端，電壓被拉至0V。但可以看到2ns后電壓又繼續(xù)抬升，這是因為電容只在一開始的瞬時可以看做短路，后面其等效阻抗不斷增大，最后趨近于+∞，反射系數(shù)也從-1變?yōu)?1，因此最后電壓抬升至2V。

再來看藍(lán)色的信號線，實際信號的上升必定會有一定的時間間隔，因此在2ns反射瞬間，雖然反射系數(shù)=-1，但此時電壓=0；隨著時間的推移，源端信號電壓值逐漸增大，反射系數(shù)也從-1慢慢變成0再變成+1，最終就得到了藍(lán)色信號線的波形。

理論上電容越大，回溝越大，如下圖C3>C2>C1，對應(yīng)的回溝也會越大。從485或者CAN設(shè)備串、并聯(lián)的角度來看：串聯(lián)的情況下，阻抗不連續(xù)的差值會更??；但并聯(lián)的情況下，不管是線束的分叉點、還是多個設(shè)備同時反射導(dǎo)致的反射信號疊加，并聯(lián)對于源信號的影響理論上會比串聯(lián)更大。

6.小結(jié)

通過對信號反射原理性的學(xué)習(xí)，可以知道阻抗匹配是確保信號傳輸效率和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵步驟。

首先，當(dāng)末端阻抗相對線束特性阻抗較小時，采用串聯(lián)電阻是一種常見的阻抗匹配方法。通過串聯(lián)電阻，可以有效地調(diào)整電路的總阻抗，以適應(yīng)整個系統(tǒng)的特性阻抗，從而減小信號反射和提高信號傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

反之，當(dāng)末端阻抗相對線束特性阻抗較大時，采用并聯(lián)電阻可能更為適用。并聯(lián)電阻的引入有助于降低后級系統(tǒng)的總阻抗，從而減小信號在系統(tǒng)內(nèi)部的反射，提高信號的穩(wěn)定性和傳輸效率。

在PCB制作階段，還可以通過調(diào)整線束本身的特性阻抗來實現(xiàn)阻抗匹配。合理設(shè)計PCB的布線結(jié)構(gòu)、選擇適當(dāng)?shù)木€寬和間距，以及使用特定的PCB材料，都可以對線束的特性阻抗進(jìn)行調(diào)控。

此外，在電路設(shè)計中加入匹配網(wǎng)絡(luò)或使用阻抗轉(zhuǎn)換器等元件，也是實現(xiàn)阻抗匹配的有效手段。

綜合而言，通過綜合運(yùn)用串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和PCB在制作中的調(diào)整，可以有效地優(yōu)化系統(tǒng)的阻抗匹配，確保信號在整個系統(tǒng)中穩(wěn)定、高效地傳輸。

審核編輯：湯梓紅