【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——07 信号完整性

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硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计——信号完整性知识简介

 

        信号完整性是指信号在传输路径上的质量，传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒质。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。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是系统设计中多种因素共同引起的。那么，信号完整性和哪些知识有关呢？

1、传输线

        说起传输线，顾名思义可以理解为信号传输的线路。传输线相关的主要特征词有频率、带宽、环路电感、参考平面、微状线和带状线、特征阻抗等。频率和带宽相信大家很熟悉，不做过多介绍。

        环路电感是和信号路径、回流路径相关的概念，通俗来讲就是信号从IC的Out脚输出，经过负载回到IC的GND脚，形成一个回流路径。在信号传输过程中，线路上面会存在寄生电感，包含自感和互感形成的电感，信号回流一般会选择最小阻抗路径。

        参考平面，这是一个与传输线相对应的概念。信号存在传输线，那么必然存在参考路径或者回流路径，就像电压概念对应的参考GND一样。在PCB走线中，一般把一个完整的平面用于参考路径，我们习惯称为参考平面，在信号要求比较高的场合，信号会有上下两个参考平面，甚至左右包含参考平面，有时候也称为立体包地。这些参考平面构成良好的传输线模型，可以控制阻抗、避免反射、较少损耗，提高信号传输效率，同时起到良好的屏蔽作用。

        微带线和带状线，通常认为走在表层是微带线，走在内层是带状线，这不够严谨。实际上，两种传输线通常使用参考平面平面来区分，微带线只有一个参考平面，带状线有2个参考平面。

        特征阻抗是指传输线上存在的电阻、寄生电感、寄生电容的总阻抗。信号在传输线中是一步步往前走的，电磁场建立需要一个过程，那么信号线与信号线之间、信号线与参考平面之间存在寄生电容和寄生电感。我们通常所说的阻抗控制，就是为了让特征阻抗满足目标阻抗，尽可能让传输线环境均匀统一，减少反射，实现最佳功率传输，减少干扰，这个阻抗就是指特征阻抗。举个例子，在户外骑行时，路面越平坦，我们可以骑行越快。一旦路面有个小坑或者大角度拐弯，我们的速度就会降下来，如果有大坑或者断头路，就会被迫减速或中止。同样的道理，对于高速信号传输，完整的参考平面、良好的阻抗控制、最佳功率传输是必须的。

2、信号反射

        信号在传播过程中，传输线阻抗突然发生变化时，就会有信号发射发生。信号发射就会有反射系数存在，信号发射系数=（Z2-Z1）/（Z2+Z1），Z1为当前阻抗，Z2为新传输线阻抗。一般反射系数存在三种情况，正数表示正反射，负数表示负反射，零表示无反射。当Z2无穷大时，阻抗无穷大，表示开路，反射系数为1，发生全反射。当Z2=Z1时，表示阻抗未突变，通道阻抗理想且连续。当Z2=0时，表示阻抗突变为0，发生短路，反射系数为-1。

        前面介绍了信号反射与传输线特征阻抗有关，那么阻抗有哪些参数有关？线宽W，线宽增大，阻抗减小，反之阻抗增加。介质厚度h，厚度增加，单位长度电感增加，电容减小，最终导致特征阻抗变大。介电常数，它会导致电容变大，特征阻抗变小。铜箔厚度，它会导致电感减小，电容增加，从而导致特征阻抗减小。

3、信号的串扰来自哪里？

        通常，我们在PCB设计时，走线间距需要遵守3W原则，以抑制70%以上的干扰。这是信号线之间存在串扰，两条走线很近的PCB信号传输线，一条信号线可能会导致另外一条产生噪声。

        信号串扰通常分为电容耦合串扰和电感耦合串扰。

        电容耦合，PCB上走线与走线之间、走线与参考平面之间都会形成寄生电容，其中一条走线有信号经过时会产生变化的电场，这个电场会通过电容作用到另外一条走线，形成串扰噪声。

        电感耦合，PCB走线与走线之间存在互感，其中一条走线有信号经过，会产生变化的磁场，这个磁场会作用于另外一条走线，从而产生串扰噪声。

 

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学习了，内容非常清晰，非常感谢楼主的分享。好文，有需要的可以看看。

秦天qintian0303

信号完整性是指信号在传输路径上的质量，现在对这方面要求都比较高