高速电路信号完整性问题

文章摘要：信号完整性是指信号在信号线上的质量，即信号在电子线路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路设计能够达到把信号以规定的时序、持续时间和电压幅值在互连系统中传输，就表明该电路具有良好的信号完整性，如果达不到这一要求，则说明此电路的信号完整性较差。信号完整性分析主要包括对互连结构电气性能的研究；互连结构用于在电子产品里传输信号。按照不同的设计层次，片内晶圆、封装结构、多芯片组件和印制电路板都可归结到互连结构中。在现代大规模集成电路设计形成的早期，手工设计和布局数字电路是唯一的方法。随着自动综合分析技术的出现，可以采用高级计算机语言来表达自己的设计思想，然后使用自动设计过程来实现这一复杂的设计。

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　　信号完整性是指信号在信号线上的质量，即信号在电子线路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路设计能够达到把信号以规定的时序、持续时间和电压幅值在互连系统中传输，就表明该电路具有良好的信号完整性，如果达不到这一要求，则说明此电路的信号完整性较差。

　　信号完整性分析主要包括对互连结构电气性能的研究；互连结构用于在电子产品里传输信号。按照不同的设计层次，片内晶圆、封装结构、多芯片组件和印制电路板都可归结到互连结构中。

　　在现代大规模集成电路设计形成的早期，手工设计和布局数字电路是唯一的方法。随着自动综合分析技术的出现，可以采用高级计算机语言来表达自己的设计思想，然后使用自动设计过程来实现这一复杂的设计。在该过程中，设计者在很大程度上忽略了电子线路的电气特征性能。然而，著名的“Moore”定律所预言的集成化趋势引发了一个新的设计前沿问题，此问题使设计者不得不考虑线路所引起的各种效应。伴随芯片设计规模小于0，25 ptm，线路延迟越来越可以和门延迟比拟，甚至前者高于后者。结果是设计者在设计时必须在一个时序周期内考虑线路延迟。采用0，13 gm及以下尺寸的纳米技术之后，数字设计也必须考虑信号（或噪声）之间的随机相互作用。

　　例如，如果一个元件输出一个上升边沿约为15ns、时钟频率为⒛MHz的数字信号，即使采用最劣质的互连线路，手工连线布局，电路也可以正常工作。

　　随着市场更高的需求，现在的设计者不得不考虑提高时钟频率，缩短信号的上升边沿。对于市面上大多数电子产品而言，普遍认为当时钟频率超过100 MHz或上升边沿小于1ns时，信号完整性因素就必须考虑。

　　在模拟电路中，设计者主要考虑物理源引发的噪声，物理源通常包括热噪声、短噪声等。一方面，这些噪声源决定了所能放大信号的最小下限；另一方面也决定了所能放大信号的最大上限。

　　在数字电路中，噪声不是来自于基本的物理源，而是来自于运行着的电路本身，尤其是其他信号频繁翻转所产生的噪声。高度化的互连密度导致了每个网络与其余网络相隔更近，从而引起了相邻网络的容性耦合。

　　因此，在未来的硬件电路设计开销方面，逻辑功能设计的开销将大为降低，而与信号完整性设计相关的开销将占总开销的80％甚至更多。

　　大家知道，数字系统采用0或1用于信号传递通信，理想的数字电路是通过收发一连串的梯形电压波来进行通信。对于逻辑1和0总有其对应的参考电压。高于“VH”的电平是逻辑1，而低于“VL”的电平视为逻辑O。介于“VL”和“VH”之间的区域视为不确定状态，如图1所示。在这个区域内，接收器有可能识别信号为高，也有可能识别为低。每个接收元件都有识别信号状态为高或低的电压阈值。但在实际电路中，信号往往呈现出如图2所示的状态，上升到高电平通常伴随着上冲和振铃，会影响芯片对逻辑状态的判断。

　　理解了数字系统的本质，就能够从根本上抓住信号完整性问题所研究的核心。因此，通常把信号完整性问题分为4种类型。

　　· 单网络的信号质量：在信号传输路径上由于传输线、过孔，以及其他互连造成阻抗突变而引起的反射与失真。

　　· 多网络间的相互串扰：理想回路与非理想回路的电容耦合、电感耦合。

　　· 电源分配系统中的电源和地线噪声：由于芯片与电源网络间存在寄生电感和电阻，当大量芯片内的电路和输出级同时动作时，会产生较大的瞬态电流，导致电源网络 和地网络的电压波动和变化。

　　· 元件和系统间的电磁干扰。

　　图1 数字信号电平模型

　　图2 电路中的数字电平信号