信号完整性——反射

信号完整性基础知识术语、符号和缩略语术语1．信号完整性（Signal Integrity）信号完整性是指信号在信号线上的质量。

信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。

2．传输线（Transmission Line）传输线是一个网络（导线），并且它的电流返回到地或电源。

3．特性阻抗（Characteristic Impedance）组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输时，信号的跃变电压（V）和跃变电流（I）的比值称为特性阻抗（Z0），即Z0=V/I。

4．反射（Reflection）反射就是在传输线上的回波。

信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。

如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。

5．串扰（Crosstalk）串扰是两条信号线之间的耦合。

信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

6．过冲（Overshoot）过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。

对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压。

过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。

7．下冲（Undershoot）下冲是指下一个谷值或峰值。

过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。

8．电路延迟指信号在器件内传输所需的时间（T pd）。

例如，TTL的电路延迟在3 ~ 20nS 范围。

9．边沿时间器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间（信号波形的10~90%），通常表示为上升沿（T r）。

器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间（信号波形的90~10%），通常表示为下降沿（T f）。

10．占空比偏斜信号传输过程中，从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间的差别，称为占空比偏斜。

TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其输出的上升沿和下降沿延迟不同。

高速电路设计信号完整性的一些基本概念1、信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

2、传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。

3、集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。

4、分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。

5、上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。

6、截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

7、特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。

可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

8、传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tPD。

9、微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。

10、带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

11、趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。

信号完整性之初识信号反射版本号更改描述更改人日期1.0 第一次撰稿 eco2013-10-19 E-mial：zhongweidianzikeji@ QQ：2970904654反射产生的原因在《和信号完整性有关的几个概念》中我们已经简单的介绍了“反射”这厮。

在下认为“信号反射”在电路中是不可避免的，不论是高速电路还是低速电路。

而我们只能用一些办法去优化电路，去优化PCB的布局布线，从而降低反射的大小或者在信号反射时避免对电路的操作。

为什么信号反射无法完全消除，在高速和低速电路中都会存在，在下鄙见如下：V = 3x10^8 / sqrξ 式1其中：V是带状线中信号传播的速度（m/s），3x10^8是光速(m/s)，ξ是介电常数。

由式1可知，信号的传播速度只与物质的介电常数有关，在基材相同的情况下，不论在高速电路中还是在低速电路中信号都会以相同的速度传播。

在基材为FR4的电路板中，介电常数ξ一般为4左右，由式1我们可以计算出信号的传播速度V = 3x10^8 / sqr(4) =1.5x10^8 m/s,转换单位后约为6in/ns，这就是为什么很多资料上喊信号在FR4材料中的传播速度为6in/ns（注：1mil = 0.0254mm； 1inch = 25.4mm。

对于这个单位转化，感兴趣的人一定要自己计算计算，享受过程可以让你更快乐更智慧哦）。

1.5x10^8 m/s（6in/ns）速度极快了吧，设想山间小溪，小溪中的水流以1.5x10^8 m/s流动，流动中突遇一石头便会荡起无数涟漪，迸射无数水花。

溪中这块石头意味着阻抗失配。

综上所述，我们姑且把这水流现象近似看作电路中的信号反射。

为了给大家一个直观的感受，在下从网上找了两张图片，见图1、图2。

很多时候有些东西是说不清道不明的，关键看大家如何去想，如何去悟。

我建议大家应该看着这个水流冥想一下。

图1 这就是电流图2 请想象成电流I’m sorry,说的太远。

信号完整性：信号反射信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。

对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。

如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB 转角，接插件），信号都会发生反射。

那么有多少被反射回传输线的起点？衡量信号反射量的重要指标是反射系数，表示反射 电压和原传输信号电压的比值。

反射系数定义为：ρ= 1212Z Z Z Z +-。

其中：Z 1为变化前的阻 抗，Z 2为变化后的阻抗。

假设PCB 线条的特性阻抗为50欧姆，传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻，暂时不考虑寄生电容电感的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系 数为：ρ=3150********=+-，信号有1/3被反射回源端。

如果传输信号的电压是3.3V 电压，反射电压就是1.1V 。

纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，阻性负载的变化无非是以下四种情况：阻抗增加有限值、减小有限值、开路（阻抗变为无穷大）、短路（阻抗突然变为0）。

阻抗增加有限值：反射电压上面的例子已经计算过了。

这时，信号反射点处就会有两个电压成分，一部分是从源端传来的3.3V 电压，另一部分是在反射电压1.1V ，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V 。

阻抗减小有限值：仍按上面的例子，PCB 线条的特性阻抗为50欧姆，如果遇到的电阻是30欧姆，则反射 系数为 ρ=50305030+-=-0.25，反射电压为 3.3*（-0.25）V= -0.825V 。

此时反射点电压为3.3V+（-0.825V ）=2.475V 。

开路：开路相当于阻抗无穷大，反射系数按公式计算为1。

即反射电压3.3V 。

反射点处电压为6.6V 。

可见，在这种极端情况下，反射点处电压翻倍了。

短路：短路时阻抗为0，电压一定为0。

视频分配器中提高信号完整性的方法，信号完整性，串扰，反射，阻抗匹配处理高速电子系统的信号完整性问题一直是比较难于处理的,特别是越来越多的芯片的工作频率超过了100 MHz,信号的边沿越来越陡(已达到ps级) ,这些高速器件性能的提高更增加了系统设计的难度。

同时,高速系统的体积不断减小使得PCB板的密度迅速提高。

信号完整性问题已经成为新一代高速产品设计中越来越值得注意的问题。

信号完整性问题的产生信号完整性(SI)是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。

从广义上讲，信号完整性问题表现为反射、串扰、地弹和延迟等。

反射反射现象的原因是信号传输线的两端没有适当的阻抗匹配。

信号功率的一部分经传输线传给了负载，另一部分则向源端反射。

布线的几何形状、不适当的端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致信号反射。

串扰信号串扰是没有电气连接的信号线之间的感应电压和感应电流产生的电磁耦合现象。

这种耦合会使信号线起到天线的作用，其电容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压，并且随着时钟速度的升高和设计尺寸的减小而加大。

由于信号线上的交变信号电流通过时，会产生交变磁场，处于磁场中的其它信号线会感应出信号电压。

在低频段，导线间的耦合可以建立为耦合电容模型;在高频段，可以建立为LC集中参数导线或传输线模型。

另外，PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性以及信号线端接方式对串扰都有一定的影响。

地弹主要是源于电源路径以及IC封装所造成的分布电感的存在。

当系统的速度愈快，同时转换逻辑状态的I/O引脚个数愈多时，会产生较大的瞬态电流，导致电源线上和地线上电压波动和变化，这就是平时所说的接地反弹。

接地反弹噪声会造成系统的逻辑运作产生误动作。

延迟延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端到达接收端的传输延迟。

信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

电路板级的信号完整性问题和仿真分析摘要：今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题已成为PCB设计者必须面对的问题。

信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。

由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路开关速度的加快，产生了信号完整性问题。

常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。

这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。

传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。

使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。

这里以Altium Designer 6.0工具为例，介绍分析解决部分信号完整性问题的方法。

关键词：信号完整性 Altium Designer 6.0 仿真分析[中图分类号] O59 [文献标识码] A [文章编号] 1000-7326（2012）04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。

随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。

特别是IC芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。

但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。

这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。

为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟电路中，采用的是单频或窄频带信号，我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。

元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。

但是今天，随着GHz时代的到来，很多IC的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。

信号完整性名词解释1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。

信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。

主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。

产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为Victim。

通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。

振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。

串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。

印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。

3.2 信号完整性仿真3.2.1 信号完整性基础高速PCB的信号线必须按照传输线理论去设计，否则就会产生反射、串扰、过冲和下冲等问题而严重影响信号的完整性。

信号完整性是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。

如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。

反之，当信号不能正常响应时，就出现了误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等时钟间歇振荡和数据出错等信号完整性问题。

当频率超过50MHz或信号上升时间Tr小于6倍传输线延时时，系统的设计必然面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。

以下是印象信号完整性的一些现象。

①反射反射就是信号在传输线上的回波现象。

此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。

在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。

如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。

根据负载阻抗和源阻抗的关系大小相同，反射电压可能为正，也可能为负。

如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接受数据错误。

如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。

一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输以及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。

；另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。

②串扰在所有的信号完整性问题中，串扰现象是非常普遍的。

串扰可能会出现在芯片内部，也可能出现在电路板、连接器、芯片封装以及线缆上。

串扰是指在两个不同的电性能之间的相互作用。

产生串扰被称为Aggressor，而另一个收到串扰的被称为Victim。

通常，一个网络既是入侵者，又是受害者。

振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象，串扰则是自同一块PVB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。