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前言
100 MHz 時鐘產生后，從信號驅動器芯片輸出的兩種波形：沒有外加引出連線（平滑曲線）的情況和輸出端連接一段2 in長的PCB線條（振鈴曲線）的情況。
縱軸每格表示1 V，橫軸每格表示2 ns
對于大多數電子產品而言，當時鐘頻率超過100 MHz或者上升邊小于1 ns時，信號完整性效應就變得重要了，通常將這種情況稱為高頻領域或高速領域（區別與高速信號的定義）。
從廣義上講，信號完整性指的是在高速產品中互連線引起的所有問題。主要研究當互連線與數字信號的電壓電流波形相互作用時，其電氣特性如何影響產品的性能。?
可以將所有這些問題歸結為以下三類。在這三類問題之間也存在著相當大的重疊：
1.信號完整性（Signal Integrity，SI）,主要指信號波形的失真；
2.電源完整性（Power Integrity，PI）,主要指為有源器件供電的互連線及各相關元器件的噪聲；
3.電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）,主要指產品自身產生的電磁輻射和由外場導入產品的電磁干擾。
在信號完整性領域中，通常信號完整性問題與噪聲問題或者時序問題有關。這兩類問題都可能引起接收端的誤觸發或者誤碼。?例如，分配一些時間給門翻轉、將信號傳送至輸出門、等待時鐘進入下一級門、等待門讀出輸入端的數據等。互連線嚴重影響時序預算，這里主要討論由互連線產生的上升邊失真對抖動的影響。
許多信號完整性噪聲問題，如振鈴、發射、近端串擾、開關噪聲、非單調性、地彈、電源彈、衰減和容性負載等。這些都是互連線的電氣特性對數字信號波形造成的不同影響。?
以上列出的問題都和如下的6種類型的問題之一有關：
1.單一網絡的信號失真；
2.互連線中頻率相關損耗引起的上升邊退化；
3.兩個或多個網絡之間的串擾；
4.作為串擾特殊形式的地彈和電源彈；
5.電源和地分配中的軌道坍陷；
6.來自整個系統的電磁干擾和輻射。
二、單一網絡的信號完整性
互連線引起單一網絡上信號失真的共性問題分為三個方面：?
第一個方面是反射 ；
第二個方面是信號質量問題；?
第三個方面是時序；
反射：
引起反射的唯一原因是信號遇到的瞬時阻抗發生改變。?
任何改變橫截面或者網絡幾何結構的特征都會改變信號所感受到的阻抗。引起阻抗變化的所有特征稱為突變。?
所感受到的阻抗發生改變的情況來自以下幾點：
1.互連線末端；2.線寬變化；
3.層轉換；4.返回路徑平面上的間隙；
5.接插件；
6.路由拓撲的改變，比如分支線、T行線或樁線。
信號質量問題：
導線和介質中與頻率相關的損耗，所造成信號的高頻損耗要比低頻損耗更大，其結果是在傳播中信號上升邊將會被拉長。?
這個上升邊退化到接近信號的單位間隔（Unit ?interval,UI）時，1比特的信息將會泄漏到下一個甚至下下個比特，這種效應稱為符號間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI）。在數據率或更高的高速串行鏈路中，它將是引起問題的主要原因。
時序：
兩個或者多個信號路徑之間的時延差稱為錯位（skew）。錯位是兩條或者多條網絡之間時延的差異。為了控制錯位，主要依靠匹配網絡之間的長度。另外，網絡之間的介電常數發生局部變化（如疊層中的玻璃纖維分布）也會影響時延，這個問題比較難以控制。?
當信號線和時鐘線之間存在超出預期的錯位時，就可能產生誤觸發和邏輯錯誤。?
當差分對的兩條線之間存在錯位時，部分差分信號會轉變為共模信號，并造成差分信號失真。
三、串擾
網絡之間的容性耦合和感性耦合，為有害噪聲從一個網絡到達另外一個網絡提供了路徑。
同時，也可以將其描述為從攻擊網絡到受害網絡邊緣電磁場的作用。?
兩種不同情況下會發生串擾：
1.互連線為均勻傳輸線，電路板上大多數線條屬于這種情況；
2.互連線為非均勻傳輸線，如接插件和封裝的場合。
這兩種效應在靜態線的近端和遠端的疊加方式是不一樣的。
當信號經過接插件且多個信號共用的返回路徑是一個引腳而不是一個平面時，感性耦合噪聲比容性耦合噪聲增加得更多。當感性耦合噪聲處于主導地位時，通常把這種串擾歸為同時開關噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN）。這類噪聲是由耦合電感（即所謂的互感）產生的。?
開關噪聲大多發生在接插件、封裝和過孔處。地彈實際上是同一個導體上返回電流重疊而出現的一種特殊情況。
四、軌道塌陷噪聲
當通過電源路徑和地路徑的電流發生變化時，如芯片翻轉或者內核中的門翻轉時，在電源路徑和地路徑之間的阻抗上產生一個壓降，這個壓降意味著供給芯片的電壓減小了，稱為電源與地之間的電壓降低或者坍陷。
微處理器電源軌道上的電壓變化
五、電磁干擾
電磁干擾問題包括3個方面：噪聲源、輻射傳播路徑和天線。?
兩種常見的電磁干擾源：
1.一部分差分信號轉換成共模信號，最終在外部的雙絞電纜線上輸出；2.電路板上的地彈在外部單端屏蔽線上產生共模電流。附加的噪聲可以由內部產生的輻射泄漏溢出屏蔽罩而引起。
鐵氧體扼流圈的剖視圖。
鐵氧體通常用在電纜周圍，
以減小類似共模電流這種主要的輻射源。
六、信號完整性的兩個重要推論
第一個重要推論：所有信號完整性問題都是以電流或者電壓的變化速度來衡量的，通常指的是dI/dt或者dV/dt，上升邊越短意味著dI/dt或者dV/dt越大。隨著上升邊縮短，噪聲問題必然增加，并且更難以解決。?
第二個重要推論：解決信號完整性的有效辦法在很大程度上基于對互連線阻抗的理解。把互連線的物理設計與互連線阻抗聯系起來，在設計過程中就能消除許多信號完整性問題。
七、電子產品的趨勢
時鐘頻率越來越高的趨勢都是由同一種技術——光刻法所引起的。由于能夠生產更小尺寸的晶體管門溝道長度，晶體管的開關速度提高了。?
溝道長度越短，電子與空穴移動距離就越短，且能在更短時間內通過門并引起狀態轉變。當提到0.18 μm 或 0.13 μm 的技術階段時，實際上是指能夠制造的最小溝道長度。
一個時鐘周期所需的最小時間受該周期內需要執行的所有操作的限制。通常制約最小時間的因素有3個：
1.所有開關門必要的固有開關時間；
2.信號經系統互連線傳播到所有開關門的時間；
3.所有門讀取輸入信號所需的建立和保持時間。
八、仿真
三種電氣仿真工具可用來預估互連線對信號行為造成的模擬效應。?
電磁仿真或3D全波-場求解器。在時域或頻率中，使用所設計的幾何邊界條件和材料屬性對麥克斯韋方程組進行求解，并仿真出各個位置電場和磁場；?
電路仿真器。在時域或頻域中，對各種電路元件對應的微分方程進行求解，并運用基爾霍夫電流、電壓關系來預估各個電路節點處的電壓和電流。這些通常都是與SPICE兼容的仿真器；?
數值仿真工具。先綜合輸入波形，再依據互連線的S參數模求解其沖擊響應，然后采用卷積積分或其他數值方法計算每個端口的輸出波形。
1.電磁仿真：
關于電磁仿真，應該把信號完整性問題歸結為麥克斯韋方程組。這4個方程描述了導體和電介質與電場和磁場之間的相互作用。歸根到底，信號只是在傳播電場和磁場。當仿真電場和磁場本身時，互連線和所有無源元件必須轉換為與其幾何結構和材料特性相關的導體和介質。
在時域和頻域中的麥克斯韋方程組描述了
在時間和空間上電磁場如何與材料相互作用
2.電路仿真：
用電壓和電流表示信號，將各種導體和電介質轉換成電阻、電容、電感和傳輸線等基本電路元件及其之間的耦合關系。這種將物理結構轉換為電路元件的過程稱為建模。?
電路仿真器未能考慮電磁效應，如電磁兼容問題、諧振和非均勻波傳播等。
最常用的電路仿真器為SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），是一種基于晶體管的幾何結構和材料特性來預估晶體管性能的工具。
左圖為長約5 cm的典型示波器探針的電路模型；
右圖為無雜波的上升邊為1 ns的信號的仿真波形結果。
其中，振蕩是由探針的附加電感引起的。
3.數值仿真工具：
MATLAB，Python，Keysight PLTS，以及Teledyne Lecroy SI Studio等數學仿真器是仿真工具的示例，可以根據輸入波形的綜合來預估輸出波形，分析它們如何與S參數互連線模型進行交互。?
與電路仿真器相比，它們的主要優點在于運算速度。許多這類仿真器使用專門的仿真引擎，并且對特殊類型的波形，例如正弦波、時鐘或非歸零數據模式等進行了優化。
九、模型與建模
建模是指為待仿真的元器件創建一種電氣表征與描述模型。有源器件（如晶體管和輸出驅動器）的模型與無源元件（如所有互連線和分立元件）的模型是完全不同的。?
有源器件的SPICE模型要用到理想源和無源元件的組合，或基于晶體管幾何結構的專用晶體管模型，所以工藝技術改變時也能很容易地按比例改變晶體管的行為。
IBIS 是定義輸入或輸出驅動器的V-I和V-t 特性響應的一種格式。行為仿真器提取有源器件的V-I和V-t 曲線，并仿真出這些曲線受傳輸線和表示互連線的集總元件電阻器（R）、電感器（L）、電容器（C）影響時的變化程度。
創建互連線的精確電路模型有兩種基本方法：計算和測量。?
通過計算來創建模型稱為分析，通過測量來創建模型稱為表征。
兩個貼片式0805電阻器及其等效電路模型
將預估性能或電氣特性的近似方案分成如下3級：
?經驗法則?
?解析近似?
?數值仿真
十、三種測量技術
1.阻抗分析儀
阻抗分析儀在頻域中工作，一般有4個接頭，其中第一對接頭產生流過被測元器件（Device Under Test，DUT）正弦波恒定電流，第二對接頭測量被測元器件上的正弦電壓。
2.矢量網絡分析儀（Vector-Network Analyzer，VNA）
矢量網絡分析儀也在頻域中工作。每個接頭或端口發出一個正弦電壓，其頻率范圍從幾kHz到50 GHz，在每個頻率點，測量入射電壓幅度與相位及反射電壓的幅度和相位。
3.時域反射計（Time-Domain Reflectometer，TDR）
時域反射計與矢量網絡分析儀相似，但工作在時域中。它發射邊沿快速上升的階躍信號，上升邊一般為35~150 ps，然后測量反射的瞬時幅度。另外，利用反射電壓提取被測元器件的阻抗。
總結
整個信號完整性理論方面的基礎知識都在這里有了羅列。前面的基礎概念知識，建議深入理解，后面的建模和仿真，特別是數值仿真工具，可能是一個趨勢。
編輯：黃飛
工商網監
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