信号完整性基本概念

[ 热门新闻 ] 信号 2018-09-13 16:33:47
信号完整性基本概念
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什么时候应该考虑信号完整性
“有两种电子工程师,一种是已经遇到了信号完整性问题,另一种即将遇到信号完整性问题”这句某位SI大师的名言已经说明了SI在现在电子设计领域中的重要性,但是对于"什么才是信号完整性“,"何时应该考虑信号完整性",这类问题,还是很难回答,(大师的回答一般都是It's Depends ),Baidu 了一下,答案也是各种各样,基本上为以下几种:
 
1. 凡是频率大于50MHZ的信号(也有说30MHz), 就是高速信号。
2. 当信号上升沿(或者下降沿)时间小于50ps时,就认为是高速信号。
3. 当信号所在的传输路径长度大于1/6倍传输信号波长时,信号被认为是高速信号。
4. 当信号沿着传输路径传输,发生了严重的趋附效应时,被认为是高速信号。
 
      上面几种说法似乎都对,但是当工程师面对实际比较复杂的问题时,还是感觉一头雾水,不知所云,在我看来,狭义的信号完整性所研究的是信号通过传输线以后可以在接收端接收到不失真的信号,所以反推回来,只要信号畸变到无法容忍的程度,就需要考虑信号完整性,也就是说,在信号测试中,如果某一项指标不能满足相关规范要求,就需要考虑信号完整性比如下图信号ringback超过了Vih 的 Spec, 我们就要考虑是不是出现信号完整性问题了。
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       然而在实际的工程中,这个问题要复杂的多,还是要具体问题具体分析,比如说波形畸变多大,会对电路板功能产生影响,有时候并没有统一的指标,和具体应用以及芯片,电路板的其他电气指标有关,对于数字信号而言,对畸变的容忍度较大。比如幅度是3.3V的信号就比1V 的信号容忍度大,在具体一点,能有多大的容忍度,还要考虑电路板上的电源系统供电电压波纹有多大,系统的噪声余量有多大,所用器件对于信号建立时间和保持时间的要求是多少等等。
 
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存在信号完整性问题时会出现什么现象
      这个问题的标准答案依然是"Depends",也就是说,要具体问题具体分析,但是从设计经验来看,除了最显而易见测试结果不能满足规范以外,我们可以归纳出一些比较典型的现象:
 1.设计只能间断性的工作,并且常常找不到明显的原因。
 2.设计原本能可靠工作,但在随后下列动作之后又不能常常工作:
--无缘无故
--在更换IC,DDR等供应商后
--在更换PCB等设备制造厂家后
--环境温度或湿度变化之后
 3.同批次生产的产品,有些可以正常工作,有些不可以正常工作
 4.设计在实验室可以正常工作,但是在现场只能间断性工作
 .……
综合来说,信号完整性在很大程度上决定了系统的可靠性,所以我们在设计产品的过程中,对于各项性能指标都留有相应裕量,也就说常说的Margin。但做为一名SI工程师,我必须强调一下,以上现象仅仅是有可能由SI问题引起,然而在多年的工程应用中,大部分类似的问题都不是SI问题引起的,把SI工程师折腾了半死,往往最后是通过更改某一个寄存器值解决了问题(软件工程师不要打我,哈哈),当然,面对实际的问题,我们必须提高警惕,从各个方面去考虑问题,分析问题,解决问题,这才是真正的生存之道。
 
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什么是信号完整性
当我们知道应该考虑信号完整性以后,在来看看什么是信号完整性,现在信号完整性在电子设计中的地位越来越重要,似乎如果你是一个电子工程师,你的项目中不谈信号完整性,你都不好意思和人家打招呼。
 
笼统的讲,信号完整性SI (Signal Integrity)是指信号在信号传输线上的质量,在要求的时间内,信号能不失真地从源端传送到接收端,我们就认为信号是完整的。如果每个信号都是完整的,那么由这些完整的信号组成的系统,也同样具有很好的完整性。
 
下面是一个简单的例子,一个方波信号在经过了3 inch 的传输线后,在接收端看到的是一个具有振铃的信号(黄色的信号), 当然,并不能说明这个信号是有问题的信号,这个例子只是说明,在经过了一段传输线后,原来的信号其实已经变了,或许已经变成了我们不认识的另外一个信号了 。
继续分析上面的波形,假设这是一个受反射影响的方波数字信号(黄色信号),波形的畸变仅仅是反射的结果,没有迭加其他噪声。假设低电平逻辑小于0.7V,高电平大于2V。对于高电平来说,震荡的低谷部分可能会冲到2V以下,此时电路处于不定态,可能引起电路误动作。所以,迭加在高电平上的波纹幅度不能太大。由于电路存在噪声,电源也有波纹,这些最终都会迭加到信号波形上,所以计算波纹幅度的时候要考虑这些因素,而这些因素和你的电路板其他部分设计有关。所以大部分时候,我们无法确定一个统一的畸变标准,只能根据具体电路的设计和应用综合考虑。最终的原则只有一个:通过信号完整性设计、电源完整完整性设计等手段,将总的信号畸变控制在一定范围内,保证电路板正常稳定工作。
 
所以说,广义的信号完整性是一个非常复杂的系统,一个信号的问题可能涉及到信号完整性,电源完整性,电磁完整性等问题,对于一些负责任的部门和公司来说,SI,PI和EMI协同设计是当今高速数字系统设计的最有效途径。
 
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信号完整性研究那些问题
Eric博士在他的著作《Signal Integrity - Simplified》里面,说到所有的信号完整性问题可以分为四类:
 
 1. Single Trace Signal Integrity: 单根传输线的信号完整性问题
 2. Crosstalk:相邻传输线之间的信号串扰问题
 3. PI Related:与电源和地分布相关的问题
 4. EMI:电磁干扰和污染问题
 5. Timing:时序分析
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这五类解决方案是按照层次逐级递进的。也就是说,在实施信号完整性解决方案时,要按照上述的分类顺序依次解决好问题,然后在解决下一个层次的问题,显然,Eric博士的观点涉及的其实已经是广义的信号完整性了,它融合SI,PI,EMI为一体。在实际应用中,影响信号质量的因素非常多,这些因素往往又互相影响,抑制了某一因素的影响可能又导致了其他方面的恶化,而很多公司,SI,PI,EMI又经常由不同的工程师负责,这个时候就要协同合作,对各种因素反复权衡,从整个系统的角度综合考虑,做出相对完美的产品。
 
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SI设计与SI仿真
在所有的工作历程中,最接受不了的是出现任何问题,不做任何思考便直接丢给SI工程师”这个问题来仿真一下“,似乎仿真就是神丹妙药,包治百病,虽然大部分时候我们都默默的去做了,可是还是忍不住抱怨一下,明明把电阻从0欧姆改成33欧姆就可以解决的问题,仿真个大头鬼啊。这里只是开个玩笑,不过的却有很多人认为,SI设计就是SI仿真。产生这种想法的根本原因在于缺乏对SI设计的深入了解。
 
SI设计的目的是设计出满足各种性能指标,规范要求,可以可靠工作的产品,认同了这个观点,就可以理解仿真只是SI设计的一方方法或手段,而SI设计一定存在多种方法,比如参考芯片厂商的Design Guide,比如参考已经经过市场考验的同类型产品,比如应用已经掌握的各种SI知识,还有,最最重要的测试。
 
仿真只是SI设计链路中的一环,SI仿真的意义在于降低设计风险,减少设计时间,以及验证很多没有办法测试的信号。SI设计最重要的是对SI基础理论的理解和掌握,在这个基础上,判断那些信号需要做仿真,如何做仿真,如何综合多项仿真结果找出解决方案。记住,用理论知识去支配仿真工具,而不是被仿真工具所支配。