信号完整性之初识信号反射
信号完整性介绍
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。
信号完整性分析
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信号完整性分析在高速数字系统中 的应用
信号完整性分析在数字信号处理系 统中的应用
高速数字接口设计
应用场景：高速数字接口设计是信号完整性分析的重要应用场景之一
设计目标：保证信号传输的稳定性和可靠性
设计挑战：高速数字接口设计面临着信号传输速度、信号完整性、信号干扰等问题
建立信号完整 性分析的数学 模型
验证模型的准 确性和可靠性
优化模型，提 高分析结果的 准确性和可靠 性
仿真分析
仿真模型搭建：根 据实际电路搭建仿 真模型
仿真参数设置：设 置仿真参数，如频 率、阻抗等
仿真结果分析：分 析仿真结果，如信 号质量、时延等
仿真优化：根据仿 真结果进行优化， 如调整电路参数、 增加滤波器等
结果解读与优化建议
结果解读：根据分析结果，判断信号的完整性 优化建议：针对分析结果，提出针对性的优化方案 实施方案：根据优化建议，制定实施计划并执行 效果评估：对优化后的信号进行再次分析，评估优化效果
信号完整性分析的 应用场景
高速数字系统设计
信号完整性分析在数字电路设计中 的应用
信号完整性分析在数字通信系统中 的应用
信号完整性分析的 流程
确定分析目标
确定信号完整性分析的目标， 如提高信号传输质量、降低信 号干扰等
确定分析的范围，如系统级、 模块级、芯片级等
确定分析的指标，如信号传输 延迟、信号抖动、信号失真等
确定分析的方法，如仿真分析、 实验验证等
建立模型
确定信号完整 性分析的目标 和需求
收集和分析信 号完整性相关 的数据
添加副标题
信号完整性分析
汇报人：
信号完整性-反射
假设传输线的末端是开路，1ns 后在线末端，测得开 路两端的总电压为两个波之和，即 0.84V +0.84V＝1.68V。
再经过 1ns 后，0.84V 反射波到达源端，又一次遇到 阻抗突变。源端的反射系数是(10 - 50)/(10+50)＝- 0.67， 这时将有 0.84V×(-0.67)＝-0.56V 反射回线远端。当然， 这个新产生的波又会从远端反射回源端，即-0.56V 电压将 被反射回来。线远端开路处将同时测得四个波：从一次行 波中得到 2×0.84 V＝1.68 V，从二次反射中得到的 2× (-0.56)＝-1.12 V，故总电压为 0.56 V。
8.1 阻抗变化处的反射
无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿 着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播， 但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突 变，或简称突变。
反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定，如图 8.2 所 示。如果第一个区域瞬态阻抗是 Z1，第二个区域是 Z2，则 反射信号与入射信号幅值之比为(后面的 8.10 式给出证明)：
(8.9)
最终可得：
(8.10)
这就是反射系数的定义(即(8.1)式)。用同样的方法可 以很容易推导出传输系数 t。将根据(8.2)式得出的 V ， refl 代入(8.7)式可得：
Vinc Vtrans Vinc Vtrans
Z1
Z1
Z2
对上式通分、化简后可得：
(8.11)
没有人知道到底是什么产生了反射电压？只是知道当 产生之后，只有这样交界面两侧的电压才可以相等，交界 面处的电压才是连续的。同样，在交界面两侧也存在电流 回路，电流也是连续的。这样，整个系统也才是平衡的(有 点唯心主义的解释)。
信号完整性分析--信号反射
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。
信号反射及阻抗匹配
信号完整性分析---信号反射及阻抗匹配信号反射产生的原因，当信号从阻抗为Z0 进入阻抗为ZL 的线路时，由于阻抗不匹配的原因，有部分信号会被反射回来，也可以用“传输线上的回波来概括”。
如果源端、负载端和传输线具有相同的阻抗，反射就不会发生了。
反射的影响:如果负载阻抗小于传输线阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线阻抗，反射电压为正。
实际问题中，PCB上传输线不规则的几何形状，不正确的信号匹配，经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致反射情况发生，而表现出诸如过冲/下冲以及振荡等信号失真的现象。
过冲，当信号的第一个波峰超过原来设定的最大值，信号的第一个波谷超过原来设定的最大值时，为过冲，也就是冲过头了。
下冲，当信号的第二个波峰波谷超过设定值时，称为下冲。
过大的过冲会导致元件保护二极管损坏，而下冲严重时会产生假时钟，导致系统误读写操作。
如果过冲过大我们可以采用阻抗匹配的方式消除过冲，方法很简单如下所示：效果如下：震荡：信号的反射也会引起信号震荡，而震荡的本质跟过冲/下冲是一样的，在一个周期内，信号反复的过冲下冲我们称之为信号震荡。
震荡是消除电路多余能量的一种方式。
通过震荡的信号，可以将反射而产生的多余能量给消耗掉。
欠阻尼（振铃）是指终端的阻尼小，过阻尼（环绕）是指终端的阻尼大了。
(PS:不只是分布式电路才会产生振荡，集总电路由于LC振荡也会产生振荡，其振荡的大小和电路的品质因素Q有关，Q值代表了电路中信号的衰减速度，Q值越高衰减越慢。
可以通过单位时间电路储存的能量与丢失的能量比值来衡量)Q<1/2的时候就不存在过冲或者振荡。
Q值的计算方法为： L是导线的平均电感，C是接收端的负载电容，Rs 是驱动端的输出电阻。
阻抗匹配，由于源端与负载端的阻抗不匹配才引起信号的反射，因此要进行阻抗匹配，从而降低反射系数，可以在源端串接阻抗，或者负载端并行接阻抗。
反射系数公式：P=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)阻抗匹配端接技术汇总单电阻端接经总结：串联电阻匹配一般适用于单个负载的情况。
图讲信号完整性
信号完整性基础信号完整性问题过冲（overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰（ISI）同步开关噪声（SSN）噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性（Signal Integrity）主要包括以下几方面问题：1.过冲（Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。
因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通，通常电流有100mA左右。
信号长期的过冲会使IC器件降质，并是电源噪声和EMI的来源之一。
2. 振铃（Ringing/Ring Back）振铃会使信号的threshold域值模糊，而且容易引起EMI。
3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性，这有可能对电路有危害，特别是针对异步信号如：Reset、Clock等会有影响。
4. 码间串扰（ISI）主要是针对高速串行信号。
其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态，另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。
一般通过眼图来观察，方法是输入一伪随机码，观察输出眼图。
5. 同步开关噪声（SSN）同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V，另外还会影响输入电平的判断。
SSN的另一种现象是SSO（同步开关输出），这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。
6. 噪声裕量（Noise Margin）控制噪声余量的目的是防止外界干扰，用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。
一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。
7. 串扰（Crosstalk）串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰（常见于数模混合电路）三种形式。
通常示波器所观察到的数字信号。
图中为各相关的信号完整性参数：•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。
•Ringback 指信号的振铃。
信号完整性中几个重要概念的介绍_中为电子科技工作室
和信号完整性有关的几个概念作者：eco 邮箱: zhongweidianzikeji@日期：2013-09-29随着科技的发展，各种各样的IC被各种各样的公司设计而出，有的是新设计，有的是老东西新改进。
过去的芯片，电平跳变时间(信号上升时间或者信号下降时间)较长，在那个时代我们并不需要考虑信号完整性这个东西。
而如今不同了，不仅仅芯片的封装体积变小了（寄生参数大大减小了），更重要的是芯片的电平跳变时间变短了。
除此之外，还有芯片的工作电压5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V，电平越小虽然实现了低功耗，但是抗干扰能力也就越差了。
综合上述，于是信号完整性就出来作怪了。
说了那么多，其实我也不知道什么叫做信号完整性signal integrity，我只知道它的几种主要表现：时序错乱、信号反射（正反射和负反射）、信号振铃、地弹、串扰（前向串扰和后向串扰）、电磁辐射和电磁干扰等。
接下来具体说说上述几个概念。
1、时序错乱时序错乱主要出现在高速、高频电路中，这里请注意高速和高频是两个完全不同的概念。
我们举个例子来说明时序错乱的问题，如图1，假设A线B线分别代表2条道路（这就是我们的信号走线哦），B路的总长是A路的两倍，在起始端有4辆车（这就是我们的信号），A线车编号为A1、A2，B线车编号为B1、B2。
首先A1和B1车从起始端出发，两车以同样的速度分别沿着各自线路前进，假设一分钟后A1车到达终点端，可想而知B1车刚走过B道路的一半，与此同时A2车和B2车以同样的速度从起始端出发，并在各自的路线上前进，当B1车走到终点端时，同时A2车也到了终点端，B2车在B线的中点。
这就出现了一个错误，本打算A1车和B1车在终点端相遇，到最后却是A2车和B1车相遇。
在我们电路中这就产生了时序错误。
你也许问是否可以让A1车等等B1车呢，这也不就解决了一个相遇（时序）问题嘛，可是后来的A2车不愿意呀（女朋友还等着约会呢），A2车的不愿意就映射到我们的高速、高频电路上了，如果愿意那就是低速、低频电路。
信号完整性基础培训课件(PPT 54页)
LL='8000mil'
d(m7,m8) 0.3528
V(Vl) NexximTransient
400.00
接收上升时间为
0.173ns
Circuit1 ANSOFT
Curve Info V(Vl)
NexximTransient
0.20 m1
200.00 m1
MY1: 97.7000
0.00
0.00
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3.00
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5.00
Time [ns]
0.00
1.00
2.00
3.00
1. 信号完整性基础知识
瞬态阻抗 信号在传输线的传播实际上是信号路径与返回路径之间的电容在不停地充电！
信号在导线上传播时,电流I是一个常量：
I Q t C xV CL x xvV CLvV v
ZV IC L V vV C 1 L vC 8L3r
瞬态阻抗 信号的速度 信号的电压
用阻抗描述信号完整性：
任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这使信号质量会出现问题。 信号的串扰是由两条相邻信号线条（包括其返回路径）之间的电场和磁场的耦合引起的， 信号线间的互
耦电容和互耦电感产生的阻抗决定了耦合电流的值。 电源轨道塌陷实际上与电流分布系统（PDS）的阻抗有关。系统中必然流动着一定的电流 量以供给所有的芯片，并且由于在电源和地之间存在着阻抗，所以当芯片电流切换时，就会 形成压降。这个压降意味着电流轨道和地轨道从正常值下塌陷。 最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此地平面上返回路径的阻抗越大，电压降即 地弹就越大，
4.00
5.00
Time [ns]
信号完整性
时钟偏移（Skew）：是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。
假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。
电源完整性(Power Integrity)： 指电路系统中的电源和地的质量。
差模EMI：传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。
共模EMI：当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI。
发射带宽：即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量
反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表示。
过冲/下冲（Over shoot/under shoot）：过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是
反射、振荡、地弹、串扰等。
信号完整性的一些基本概念
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。
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。
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、
信号完整性
信号完整性研究：什么是信号完整性如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。
早一天遇到，对你来说是好事。
在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。
器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。
但在今天的高速时代，随着IC 输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。
另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。
因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。
广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。
主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。
信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。
即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。
下面谈谈几种常见的信号完整性问题。
反射：图1显示了信号反射引起的波形畸变。
看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。
如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。
很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。
或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。
其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。
而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。
信号完整性基础之反射
信号完整性基础之反射反射是引起SI的一个最基本因素，信号在传输线传播过程中，一旦它所感受到的传输线瞬时阻抗发生变化，那么就必将有发射发生。
反射是由于传输线瞬时阻抗变化而引起的下面就从理论角度来分析一下反射的机理、反射系数和传输系数的计算配个简易图来加以说明图中褐色的为电路板上的大面积铺铜层（GND或者PWR），它是信号的返回路径。
绿色和红色是传输线，S1比较宽，S2较窄，很明显在S1和S2的交接处出现了阻抗不连续，根据阻抗计算公式应该是Rs1<Rs2。
那么信号传输到这里的时候，从反射的定义来看应该是发生了反射。
那么究竟有多少信号被反射了呢？又有多少信号通过了界面进入S2了呢？这里就涉及到了反射的计算，即反射系数的计算和传输系数的计算在交界面，虽然阻抗发生了变化，但是电压和电流一定都是连续的这个结论一定要能理解，电压和电流不可能出现一个断裂即在交界面的左边一点和右边一点，他们的电压和电流都是相等的这里的一点点就像微积分中的那么一小点在分界面的左边一点点S1中有：Rs1=V1/I1 （1）在分界面的右边一点点S2中有：Rs2=V2/I2 （2）其中的V1、V2分别为分界面两侧的电压，I1和I2为分界面两侧的电压由上面的电压和电流连续性得知：V1=V2,I1=I2 （3）分析上面的三组方程，如果没有反射，他们是不可能同时成立的因为Rs1和Rs2是不相等的所以可以判定在分界面必定存在反射回源端的信号反射电压设为Vf，反射电流为If进入S2的电压为Vt，电流为It（称他们为传输电压和传输电流）信号电压为Vi，电流为Ii（称之为输入电压，从分界面看）电压关系有：Vi+Vf=Vt电流关系有：Ii-If=It这又是很关键的两个关系式因为Vi/Ii=Rs1Vf/If=Rs1Vt/It=Rs2把这三个关系式代入到上面的两个电压和电流关系方程中可以得到Vi/Rs1-Vf/Rs1=Vt/Rs2=（Vi+Vf）/Rs2（Vi-Vf）/Rs1=（Vi+Vf）/Rs2反射系数X定义为反射电压和输入电压的比值，即Vf/Vi可求的X=（Rs2-Rs1）/（Rs1+Rs2）传输系数Y定义为传输电压和输入电压的比值，即Vt/Vi经过X式小变形即可求得可求的Y=2Rs2/（Rs1+Rs2）反射是经常遇到的SI问题，我们只能无限地缩小它，却不能完全消除它，在波形能够接受的情况下尽量做到最大限度的抑制反射，这就是我们要做的工作。
信号完整性反射经典课件
8.1 阻抗变化处的反射
无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿 着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播， 但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突 变，或简称突变。
反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定，如图 8.2 所 示。如果第一个区域瞬态阻抗是 Z1，第二个区域是 Z2，则 反射信号与入射信号幅值之比为(后面的 8.10 式给出证明)：
分界面两侧电压相同的条件： (8.2)
区域 1，分界处总电流由两个电流回路决定，它们传播 方向相反，回路方向也相反。入射电流方向是顺时针，反 射电流方向是逆时针。区域 1 分界面处净电流为 Iin的，等于 Itrans。分别从分 界面两侧看进去，电流相同的条件是：
8.3 电阻性负载的反射
特性阻抗是纯电阻性质，它只是反映出上面电压电流 的同相特点。它的值与频率几乎无关，各种频率的信号都 会发生反射。传输线的终端匹配有三种最重要的特殊情况。 现假设传输线的特性阻抗是 50Ω，信号由源端沿传输线到 达有特殊终端的远端。
首先，如果传输线的终端为开路，即传输线的末端没 有连接任何终端，则末端的瞬态阻抗是无穷大。这时，反 射系数为(无穷－50)/(无穷＋50)＝1。
假如没有产生返回源端的反射电压，同时又要维持分 界面两侧的电压和电流相等，就需要关系式 V1=V2，I1=I2。 而 I1=V1/Z1，I2=V2/Z2 同时成立，显然，当两个区域的阻抗不 同时，这四个关系式绝不可能同时成立。
为了使整个系统协调稳定，区域 1 中产生了一个反射 回源端的电压。它的唯一目的就是吸收入射信号和传输信 号之间不匹配的电压和电流，如图 8.3 所示。
(8.3) 每个区域中的阻抗值为该区域中电压与电流的比值：
(8.4) (8.5)
信号完整性问题概述 信号完整性问题概述
查看文章信号完整性分析2009-06-08 10:32信号完整性问题概述信号完整性（Signal Integrity ，简称SI ）是指信号在电路中以正确对信号线上信号质量的描述。
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 ，反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换mass_ping的空间延迟——延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系的长度和导线周围介质的介电常数。
反射——当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
串扰——由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutua 件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。
同步切换噪声——当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU 于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出和地弹的强度也取决于集成电路的IO特性、PCB板电源层和地平面层布局和布线方式。
电磁兼容性——同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题布线方式有关。
为什么要做信号完整性分析过去，在系统时钟低于50MHz的电路板设计中，信号完整性(SI)问题修改就可消除SI问题或将其影响降至最低。
但是随着集成电路输出开关信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。
元器件和上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系作。
越来越多的设计工程师发现SI问题的成因不仅仅是高速设计。
真正的而是驱动器上升和下降时间的缩短。
随着工艺技术的进步及IC制造商们所生产的标准元件具有更小的裸片尺寸和越来越快的边缘速率。
信号完整性：反射是如何产生的？
信号完整性：反射是如何产生的？
有小伙伴看完之前的文章说，不够深入浅出，想了想，再写一篇，力图简单易懂的说明白反射是如何形成的。
要说明白反射，需要涉及前文提到过阻抗及匹配的概念，形象来说，如下图，如同拼图游戏一般，红色方块太大，或者太小都放不进空格中，会产生信号完整性问题；只有匹配上，才能正好放进去，没有反射。
具体的，前文说到了特性阻抗，我们熟知实际电路中最大功率传输定理是关于负载与电源相匹配时，负载能获得最大的功率。
迁移到高速电路中，其表现是：激励电路特性与传输线特性极大地影响了从一个装置传送到另一个装置信号的完整性。
具体来说，在高速电路中要想把信号能量从源端全部有效的传送到负载端，必须使传输线特征阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配，否则信号会发生反射，导致信号波形的畸变等一系列问题。
之前，还有在网上读到其他大牛写的文章，对阻抗及反射的关系写得很形象易懂，大概是说，将电流类比于水流，而将水位的高度看作为电压，这跟我们初高中接触的物理知识是一致的。
水流的速度看作是信号的频率，假设，河道中水的宽度为阻抗，那幺河道宽阻抗必然越小，这应该很好理解，。
信号完整性中的反射问题原理
这就是均匀传输线方程，也称电报方程。
对于时谐电压和电流, 可用复振幅表示为
u(z, t)=Re［U(z)e jωt］
（1.1.4a）
i(z, t)=Re［I(z)e jωt］
（1.1.4b）
将上式代入（1- 1- 3）式, 即可得时谐传输线方程
1.3 传输线的工作特性参数
1.3.1 特性阻抗 Z0
将传输线上导行波的电压与电流之比定义为传输线的特性阻抗, 用 Z0 来表示, 其倒数 称为特性导纳, 用 Y0 来表示。
特性阻抗一般表达式为
Z0 =
R + jwL C + jwC
对于均匀无耗传输线, R=G=0, 传输线的特性阻抗为
(1.3.1)
=A1e+αzcos(ωt+βz)+A2e-αz cos(ωt-βz)
i(z, t)=i+(z, t)+i-(z, t)
（1.2.5）
= 1/Z0 [A1e+αzcos(ωt+βz)+A2e-αz cos(ωt-βz)]
由上式可见, 传输线上电压和电流以波的形式传播, 在任一点的电压或电流均由沿-z 方向传播的行波（称为入射波）和沿+z 方向传播的行波（称为反射波）叠加而成。
现在来确定待定系数, 由图 1-1（a）可知, 传输线的边界条件通常有以下三种: 1. 已知终端电压 U l 和终端电流 I l ; 2. 已知始端电压 U i 和始端电流 I I ; 3. 已知信源电动势 Eg 和内阻 Zg 以及负载阻抗 Z l 。
讨论第一种情况
高速电路信号完整性分析与设计四--反射分析
源端 图 4.2 负载端 理想传输线模型及相关参数
理想传输线 L 被内阻为 R0 的数字信号驱动源 VS 驱动，传输线的特性阻抗为 Z0，负载阻抗 为 RL。理想的情况是当 R0＝Z0＝RL 时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，但能量 一半消耗在源内阻 R0 上，另一半消耗在负载电阻 RL 上（传输线无直流损耗，即无耗传输线） 。 如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗，Z0＜RL 那么负载端多余的能量就会反射回源端， 由于负载端没有吸收全部能量，称为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，即 Z0＞ RL，负载试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量，称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会产 生反向传播的波形，某些情况下在传输线上会形成驻波（有三种情况，将在下面进行讨论） 。 当 Z0＝RL 时，负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，称为临界阻尼。从系统 设计的角度来看，由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠适用的方式轻微的过阻尼，因为 这种情况没有能量反射回源端。 负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端（B 点）反射一部分信号回源端（A 点） ，反 射电压信号的幅值由负载反射系数ρL 决定，见下式：
4
的直线，并延伸到负载特性曲线。与负载线的交点定义了 t= TD 时负载端的电压和电流，其 中 TD 是传输线的时间延迟。交替使用的斜率 1/Zo 和-1/Zo 重复这个过程，直到传输线矢量 到达负载线与源端线的交点。传输线矢量与负载及源头 I-V 曲线的交点给出了稳态的电压和 电流值。
图 4.6 用于计算非线性负载多次反射的 Bergeron 图
Байду номын сангаас
OSCILLOSCOPE
Design file: UNNAMED0.TLN Designer: fzpc BoardSim/LineSim, HyperLynx 7.000 6.000 5.000 4.000 Probe Probe Probe Probe 1:U(A0) 2:U(B0) 3:RS(A0).1 4:RS(A0).2
信号反射原理
信号反射原理
信号反射原理是指当信号在传输过程中遇到障碍物时，会发生反射现象，从而
影响信号的传输和接收。
这一原理在通信、雷达、无线电等领域都有着重要的应用，对于理解和优化信号传输具有重要意义。
首先，我们来了解一下信号的传输过程。
当一个信号源发出信号时，信号会以
一定的波长和频率传播。
在传输过程中，信号会遇到各种障碍物，比如建筑物、山脉、大气层等。
当信号遇到这些障碍物时，会发生反射、折射、散射等现象，从而影响信号的传输。
其次，让我们深入了解信号反射的原理。
当信号遇到平面障碍物时，会发生反
射现象。
反射信号的强度和相位会受到障碍物材料、形状、角度等因素的影响。
此外，信号在反射过程中可能会发生多次反射，形成多径效应，这会对信号的接收产生干扰。
当信号遇到曲面障碍物时，会发生折射现象。
折射信号的传播路径和速度会发生变化，从而影响信号的传输距离和质量。
最后，我们来探讨信号反射原理的应用。
在通信领域，了解信号反射原理可以
帮助我们设计更可靠的通信系统，减少信号的衰减和干扰。
在雷达和无线电领域，理解信号反射原理可以帮助我们优化信号的发射和接收，提高信号的覆盖范围和精度。
此外，信号反射原理也在无线传感器网络、室内定位、地震勘探等领域有着重要的应用。
总之，信号反射原理是信号传输过程中不可忽视的重要现象。
通过深入理解和
研究信号反射原理，我们可以更好地应用这一原理，提高信号传输的可靠性和性能。
希望本文对您对信号反射原理有所帮助，谢谢阅读！。
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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 eco
2013-10-19 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。
在PCB走线中，向前传播的信号每时每刻都会感受到一个瞬态的阻抗，这个阻抗可能是走线的特征阻抗或者是途中碰到的IC器件的输入、输出阻抗，更有甚者是寄生电容在作怪。
有资料表明：
1、TTL系列IC中，逻辑1和逻辑0有着不同的输出电阻，其中逻辑1的输出电阻约为60Ω，逻辑0的输出电阻约为15Ω。
2、CMOS系列IC中，逻辑1和逻辑0的输出电阻基本相同，约为60Ω。
3、ECL系列IC中，逻辑1和逻辑0的输出电阻非常小并且基本相同，约为6Ω。
我觉得说到这里，信号反射无法完全消除已经说明白了，首先信号流动速度如此之快，又走线和IC的阻抗，还有匹配电阻的阻抗是无法达到高度一致的。
总而言之，信号的反射是阻抗不连续性造成的，在layout时我们应极力优化电路的布局布线，以便减小信号的反射现象。
关于反射系数
反射分为两种，其一是正反射，其二是负反射。
区别两种反射我们必先看看什么叫做“反射系数”。
所谓反射系数，它是衡量信号反射量的重要指标。
用公式表示为：
式2
其中：为变化前的阻抗，为变化后的阻抗。
当大于时将产生正反射；当大于时将产生负反射。
首先我们看一个正反射
的例子，让大家对这个反射系数有一个数值上得认识。
假设为走线特征阻抗50Ω，为
负载阻抗100Ω，那么（正）反射系数=（100-50）/（100+50）=1/3。
如果传输信号的电压为3.3V，那么反射电压就是3.3 x （1/3） = 1.1 V，反射电压+信号电压，那么负载端感受到的电压就是 4.4V。
上述就是正反射，它使接收端电压抬高。
接下来让我们看看负反
射是如何影响电路信号的，设为走线特征阻抗50Ω，为负载阻抗30Ω，那么（负）
反射系数=（30-50）/（30+50）= -1/4。
如果传输信号的电压为3.3V，那么反射电压就是3.3 x （-1/4） = -0.825 V，同理，反射电压+信号电压，负载端所感受到的电压为3.3 + （-0.825）= 2.475 V。
很显然负反射使接收端的电压降低。
这里有一张水流图（在上文也出现过），也许它能告诉我们些什么，在这儿姑且称之为“正负反射效果图”。
如图3所示，在正反射效果区水势有所上扬，在负反射效果区水势有些降低。
图3 正负反射效果图
大家不要对反射产生恐惧，其实它对电路的功能影响并不大，但在电路的性能上就必须认真考虑“信号反射”这一概念。
硬件工程师想要设计出健壮如牛的硬件电路就必须认真学习它。
这个“反射”类似于软件中的“指针”，就算我们不用指针也能编出完成功能的软件，但是这个code是否节约资源和是否健壮也许就要打个折扣了。
这一节就写到这里，在下一节中，我们将深入信号反射介绍什么情况影响了阻抗的不连续性和如何降低信号反射。
最后请大家记住，信号反射是由阻抗不连续造成的。
PS：在式2中，我一直怀疑这个公式的正确性，不过看到很多资料都在引用，于是我也照搬过来。
在下认为信号反射系数还与信号的跳变时间（上升时间或下降时间）、寄生电容、寄生电感有关，公式可写成：
其中C为信号反射的补偿系数。
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