高速电路设计之单一网络的信号完整性

在上篇博客中，我们给出了高速电路领域的信号完整性、电源完整性、电磁兼容问题的6种分类，分别是：

1.单一网络的信号失真；

2.互连线中频率相关损耗引起的上升沿退化；

3.两个或多个网络之间的串扰；

4.作为串扰特殊形式的地弹和电源弹；

5.电源和地分配中的轨道塌陷；

6.来自整个系统的电磁干扰和辐射；

本篇博客将对上述6条中的第一条“单一网络的信号失真”做详细解析。

网络是由一个系统中所有连接在一起的金属组成，其中不仅仅包括信号的传输路径，还包括信号电流的返回路径。

图一

在单一网络中，噪声的最主要来源是反射：

引起反射的唯一原因是信号遇到的瞬时阻抗（也即传输线的特性阻抗）发生改变。如果有不清楚特性阻抗概念的小伙伴，可以观看我发在b站上的视频：

90%的电路小白都误解的概念---“阻抗匹配”三页ppt带你彻底搞懂_哔哩哔哩_bilibili

当信号从发射端口输出时，构成信号的电流和电压将互连线看成一个阻抗网络。当信号沿着网络传播时，它不断感受着互连线的瞬时阻抗。如果互连线的瞬时阻抗恒定，则信号不会失真。然而，一旦阻抗发生了改变，信号就会在变化处产生反射，并会不断地积累失真信号。如果阻抗变化程度较大，那么失真将会导致误触发。

图二

以下6种情况，是信号在传输时，感受到瞬时阻抗发生改变的主要来源：

1.互连线末端

2.线宽变化

3.层转换

4.返回路径平面的间隙

5.接插件

6.路由拓扑的改变，比如分支线、T形线或者桩线。

图三

上图为不同角度走线导致的线宽变化示意图，很明显在拐角处，走线线宽产生了明显的变化，这便是导致阻抗不连续的一个重要原因。

通常情况下，阻抗突变大多是由横截面、布线拓扑结构或附加元件产生的。最常见的突变发生在线条的末端处，通常遇到的是接收器的开路高输入阻抗或驱动器的低输出阻抗。

图四

为了使信号传输时感受到的瞬时阻抗恒定不变，减少信号反射产生的干扰，我们常常采用以下4种措施来优化设计。

1.使用互连线阻抗为常量或所谓的“可控的”电路板，也即使用均匀的传输线。

2.为了控制末端的反射，采用电阻器的端接匹配策略去控制反射，让信号看不到阻抗有变化。

3.使用沿线拓扑的阻抗维持恒定的布线原则。可以采用点到点布线、最小化支路长度、短桩线等。

4.设计不均匀的传输线结构，以减轻线的不连续性。要对线的几何特征进行精细设计，以修整边缘场。

图二分别给出了同一网络种有阻抗突变时的信号质量（产生了振铃现象）和使用端接电阻控制阻抗变化的信号质量（无异常）。

即使是端接完善的精密电路板布局，也能严重地影响信号质量。例如，当线条分为两路时，节点处地阻抗发生变化。一部分信号反射回信号源，另一部分信号继续沿着分支传播，但产生衰减和失真。如果以菊花链的方式重新布线，则能使信号沿着路径所感受到的阻抗保持不变，信号质量也得以恢复。

图五 菊花链示意

除了传输线，随着信号频率的升高以及上升边的缩短，器件封装也要采用可控阻抗（如引线架），如多层球栅阵列（Ball Grid Arrays，BGA）。如果没有，就要使引线尽量短，如芯片最小尺寸封装（Chip-Scale Package，CSP）。

在后续的博客中，我会继续针对高速电路领域的信号完整性、电源完整性、电磁兼容问题的6种分类进行逐一讲解，喜欢我的内容的朋友可以点个关注，我们会继续保持高强度更新！