什么是信號完整性

什么是信號完整性

信號完整性（Signal Integrity）：就是指電路系統(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送到接收端，我們就稱該信號是完整的。

信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時候，具有所必需達到的電壓電平數(shù)值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。

信號完整性的一些基本概念

傳輸線（Transmission Line）：由兩個具有一定長度的導體組成回路的連接線,我們稱之為傳輸線,有時也被稱為延遲線。

集總電路（Lumped circuit）：在一般的電路分析中,電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個點上,各個元件上,各點之間的信號是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。

分布式系統(tǒng)(Distributed System)：實際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處,當這種分散性造成的信號延遲時間與信號本身的變化時間相比已不能忽略的時侯,整個信號通道是帶有電阻、電容、電感的復雜網(wǎng)絡,這就是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。

上升/下降時間（Rise/Fall Time）：信號從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r間,通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時間,記為Tr。

截止頻率（Knee Frequency）：這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍（0.5/Tr）,記為Fknee,一般認為超過這個頻率的能量對數(shù)字信號的傳輸沒有任何影響。

特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信號在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗,也稱為浪涌阻抗,記為Z0。可以通過傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(V/I)來表示。

傳輸延遲（Propagation delay）：指信號在傳輸線上的傳播延時,與線長和信號傳播速度有關,記為tPD。

微帶線（Micro-Strip）：指只有一邊存在參考平面的傳輸線。

帶狀線（Strip-Line）：指兩邊都有參考平面的傳輸線。

趨膚效應（Skin effect）：指當信號頻率提高時,流動電荷會漸漸向傳輸線的邊緣靠近,甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應,現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導體的內(nèi)側(cè)。

反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信號能量的不完全吸收,發(fā)射的程度可以有反射系數(shù)ρ表示。

過沖/下沖（Over shoot/under shoot）：過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設定電壓——對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓;對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓,而下沖就是指第二個谷值或峰值。

振蕩：在一個時鐘周期中,反復的出現(xiàn)過沖和下沖,我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴（Ringing）和環(huán)繞振蕩,振鈴為欠阻尼振蕩,而環(huán)繞振蕩為過阻尼振蕩。

匹配（Termination）：指為了消除反射而通過添加電阻或電容器件來達到阻抗一致的效果。因為通常采用在源端或終端,所以也稱為端接。

串擾：串擾是指當信號在傳輸線上傳播時,因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾,這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。

信號回流（Return current）：指伴隨信號傳播的返回電流。

自屏蔽（Self shielding）：信號在傳輸線上傳播時,靠大電容耦合抑制電場,靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。

前向串擾（Forward Crosstalk）：指干擾源對犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為遠端干擾(Far-end crosstalk)。

后向串擾（Forward Crosstalk）：指干擾源對犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為近端干擾(Near-end crosstalk)。

屏蔽效率（SE）：是對屏蔽的適用性進行評估的一個參數(shù),單位為分貝。

吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩的時候能量損耗的數(shù)量。

反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導致的能量損耗的數(shù)量,他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。

校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù),由于屏蔽物吸收效率不高,其內(nèi)部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個負數(shù),而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個反射的情況分析。

差模EMI：傳輸線上電流從驅(qū)動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI,就叫做差模EMI。

共模EMI：當兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動端輸出到接收端的時候,就會產(chǎn)生共模輻射,既共模EMI。

發(fā)射帶寬：即最高頻率發(fā)射帶寬,當數(shù)字集成電路從邏輯高低之間轉(zhuǎn)換的時候,輸出端產(chǎn)生的方波信號頻率并不是導致EMI的唯一成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量,這些正弦諧波分量是工程師所關心的EMI頻率成分,而最高的EMI頻率也稱為EMI的發(fā)射帶寬。

電磁環(huán)境：存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。

電磁騷擾：任何能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。

電磁干擾：電磁騷擾引起設備、傳輸通道和系統(tǒng)性能的下降。

電磁兼容性：設備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

系統(tǒng)內(nèi)干擾：系統(tǒng)中出現(xiàn)由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾引起的電磁干擾。

系統(tǒng)間干擾：有其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對一個系統(tǒng)造成的電磁干擾。

靜電放電：具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時候而引起的電荷轉(zhuǎn)移。

建立時間（Setup Time）：建立時間就是接收器件需要數(shù)據(jù)提前于時鐘沿穩(wěn)定存在于輸入端的時間。

保持時間（Hold Time）：為了成功的鎖存一個信號到接收端,器件必須要求數(shù)據(jù)信號在被時鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時間,以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個最小的時間就是我們說的保持時間。

飛行時間（Flight Time）：指信號從驅(qū)動端傳輸?shù)浇邮斩?并達到一定的電平之間的延時,和傳輸延遲和上升時間有關。

Tco：是指器件的輸入時鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號有效的時間差,這是信號在器件內(nèi)部的所有延遲總和,一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。緩沖延遲（buffer delay）：指信號經(jīng)過緩沖器達到有效的電壓輸出所需要的時間

時鐘抖動（Jitter）：時鐘抖動是指時鐘觸的,和后期布線沒有關系。

時鐘偏移（Skew）：是指由同樣的時鐘產(chǎn)生的多個子時鐘信號之間的延時差異。

假時鐘: 假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(tài)(有時在VIL 或VIH之間)。通常由于過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。

電源完整性(Power Integrity)： 指電路系統(tǒng)中的電源和地的質(zhì)量。

同步開關噪聲（Simultaneous Switch Noise）：指當器件處于開關狀態(tài),產(chǎn)生瞬間變化的電流（di/dt）,在經(jīng)過回流途徑上存在的電感時,形成交流壓降,從而引起噪聲,簡稱SSN。也稱為Δi噪聲。

地彈（Ground Bounce）：指由于封裝電感而引起地平面的波動,造成芯片地和系統(tǒng)地不一致的現(xiàn)象。同樣,如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異,就稱為電源反彈（Power Bounce）。