信号完整性和电源完整性基本介绍

1. 杂谈

今天是上班的第一天，这条博客从年前写到了年后，够久的了。
以下是年前的话：
反正已经没心思干活了，那就摸鱼学习弥补下之前落下的知识吧。
学习还是一件很快乐的事情的，学完新知识，感觉整个人都升华了下，还是多多学习，带着好奇心去探索未知的世界，精神的富足远比看似喧闹的世界带来的满足感要持久。
我发现我好久没在文章里自言自语了，翻了下以前的文章，还觉得自己挺可爱的，这也是我的成长过程，不是吗，哈哈哈。。。
另外看以前的文章，发现好多都不记得了，而且看里面还有文字错误，还是要定期的回顾下，把文章整的越来越严谨。

开始今天的学习，信号完整性和电源完整性，这两个完整性一般在高速信号中要关注。
什么是高速信号？
一般认为工作频率超过50MHz就是高速信号。
按公式推算的话，可以参照下面计算：

2.信号完整性（SI）

涉及新概念，我主要想清楚以下几个问题：

• 是什么？
• 影响什么？
• 什么时候会出现这种影响？
• 怎么解决？
• 为什么要解决？

那么对于信号完整性，想了解的问题包括：
1） 什么是信号完整性？
2）什么导致了信号不完整？
3）为什么要保证信号完整？
4）如何才能保证信号完整？

2.1 定义

什么是信号完整性？
SI:Signal integrity。信号完整性指的是信号在传输路径中，没有造成较大的失真，能保证其应有的波形。意思是，信号的幅值相位时序等没有很严重的衰减和畸变，跟进入传输系统前差异不大，至少是在容差范围内。

2.2 产生原因

信号完整性产生原因：

• 信号上升沿变陡， 带宽高，也就是包含的频率多，所以易出现反射，串扰等。
• 芯片工作电压低，导致信号受干扰翻转。
• 板子集成度高，串扰影响严重。

2.3 分类

信号完整性的主要分五类：

• 阻抗突变引起的反射与失真
• 网络间的串扰
• 噪声（同步开关噪声SSN和源、地反弹）
• 电磁干扰和辐射
• 时序完整性（延时、偏差和抖动）

2.3.1 反射与失真

反射产生的原因主要是阻抗不连续，反射产生的后果是波形出现过冲、振铃。阻抗不连续来源有：

• 过孔
• 参考平面不连续
• PCB走线宽度变化
  解决方法是进行阻抗匹配。
  信号衰减和色散我归类到失真上。

2.3.2 串扰

串扰产生的原因主要是电磁耦合，由互感和互容造成，后果是电压电流尖峰。
解决方法是，优化布局布线，减少信号之间的耦合度。

2.3.3 源地反弹

什么叫源地反弹？指的是电路中有大电流涌动时，电源地上有大量噪声波动。
反弹产生的原因主要是电平切换引起的噪声电流，后果是电源地产生噪声电压。解决方法是，优化布局布线，减小噪声对输出信号的影响。

2.3.4 电磁干扰

包括传导干扰和辐射干扰。

2.3.5 时序完整性

时序完整性包括信号的延时、偏差和抖动。
延时产生的原因：驱动过载、走线过长。
偏差产生的原因：信号走线长度不等。
抖动产生的原因：噪声、反射、串扰等。

2.4 术语

轨道塌陷：电源和地之间得电流变化时，导致电压变小，变化得厉害时，就像突然产生了塌陷一样。
地弹：相对于电路板的地，芯片内部的地电平不停的跳动。
插入损耗：由于器件的插入发生输入功率的损耗。
色散效应：电磁波的相速度随频率改变的现象。高频比低频波速慢，所以传输一段时间后易造成波形不完整。

3.电源完整性（PI）

电源完整性其实是信号完整性的一部分。

3.1 定义

PI:power Integrity.电源完整性，指的是电源来源及目的端的电压及电流是否符合需求。

3.2 产生原因

电源不完整有以下原因:

• 瞬态电流过大，电源响应慢导致电压波动大
• 寄生电感导致电压波动
• 噪声电流产生的共振模式

3.3 分类

电源完整性分以下几类：

• 同步开关噪声（SSN）
• 谐振及边缘效应
• 电源阻抗

3.3.1 同步开关噪声

同步开关噪声产生原因是同步切换时，引起地弹或者电源反弹。后果是引起电路误触发或者时序问题，解决方法也是优化布局布线。

3.3.2 谐振和边缘效应

产生原因：电流噪声引起电源平面层的谐振。
谐振是指电源、地平面由电感电容组成，层之间可看成共振腔，所以可以产生串联或者并联谐振。

边缘效应，主要指的是边缘的反射和电磁辐射。噪声会加剧边缘效应，添加去耦电容可优化。

3.3.3 电源阻抗

同一电源网络下，阻抗并不为0。控制阻抗，可控制噪声的影响。

控制阻抗的方法有：

• 使用电阻率低的材料，比如铜；
• 用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少长度；
• 降低接触电阻；
• 减小电源内阻；
• 电源尽量靠近GND；
• 合理使用去耦电容

参考文献

《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》