信号完整性分析基础知识

摘要

如果您刚刚接触信号完整性分析，或者需要温习这方面的基础知识，那么本白皮书将是您的最佳选择。

在介绍基础知识之前，本白皮书首先回答一个最基本的问题“我需要了解哪些信息”？在基础知识部

分，我们首先学习关键网络的识别和分析。接着讨论传输线，以及因快速边缘率信号所产生的高频噪声

引起的各种问题。最后，我们将了解阻抗的概念，并在阻抗和信号完整性的背景下展开讨论。

现在，让我们从零开始学习信号完整性基础知识。在开始任何类型的仿真或分析之前，您必须做好哪些

准备工作，了解哪些信息呢？您的设计中可能包含成千上万个网络，需要全部进行仿真吗？恐怕不是—

您没有足够的时间完成这项工作，事实上也完全没有必要。

因此，您要做的第一件事是确定您的关注对象—设计中究竟哪些是“关键”网络，如何识别这些“关键”

网络？

关键网络

乍一看，“什么是关键网络”，答案似乎并不复杂。我听到过各种各样的答案，譬如“时钟网络”、“高

频网络”、“所有网络都很关键”、“频率超过100 MHz 的网络”，诸如此类，不胜枚举。这些回答固

然有一定的可取之处，但数字印刷电路板有一项您必须考虑的标志性网络特征，即边缘率和走线长度之

间的关系。

些网络可能导致信号完整性 (SI) 或

电磁干扰(EMI) 方面的问题时，

您需要了解开关信号的速度，以

确定是否需要首先关注该网络。

当今的硅工艺已纵深扩展至次微

米空间，器件的物理特性决定了

信号的边缘率越来越快。归根到

底，这意味着您的设计中可能存

在问题的网络数量将远远超出您

最初的设想。

因此，我们需要一些标准来识别

关键网络。那么，我们应该在哪

里寻找这些信息来判断我们的分

析对象呢？数据表提供了最快捷

的器件管脚特性参考资料。您可

以在这些文档中找到电压摆幅、

转换速率/开关时间、输入阻抗

以及其他大量信息。然后，您需

要将这些开关数据与走线长度进行比较，确定是否存在问题。这听起来有些复杂，甚至可能相当繁琐

（如果必须手动完成此工作，的确如此）。

这时，您需要使用工具来提供帮助。利用HyperLynx SI，您可以对网络进行仿真，判断基于这些器件特性

和走线是否存在问题。这是第一步，更为精确的步骤是使用I/O 缓冲器信息规范模型，即所谓的IBIS 模

型。IBIS 模型在研究器件的开关特性方面非常有用。大多数IC 公司会为设计人员提供这类符合行业标准

的信号完整性模型，以便您在设计中成功地使用它们的器件。HyperLynx SI 产品还可以使用此信息来帮助

您确定需要重点关注的网络。它会读取模型中的IBIS 信息，并报告您的网络长度和铜延迟，从而帮助您

快速确定需要仿真的网络。

假如以手动方式进行此操作，它会占用您大量宝贵的时间，成效却微乎其微；但通过在 HyperLynx SI 中快

速浏览上述结果，您无需投入大量时间，就能精确地找到目标。

您可以很早，譬如在开始布线之前、进行板空间初始规划时执行这一首要步骤—识别关键网络，或者也

可以在完成布线后的验证阶段执行此操作。选择权在您，但我们建议最好尽早开始此项工作，最终才能

获得最大化效益。

传输线

传输线理论是确定关键网络的另一个重要方面。我们将会用到一些数学计算，因此您可能需要在手边准

备一个计算器。

我们回想一下过去使用传输线将语音传到全国各地时的情形—“有线电话”一词正是由此而来。事实上，

从电气的角度而言，通过电话线传输语音的这一行为与您电路板中正在进行的活动并无二致。在海底光

缆问世之前，如果您曾经拨打过国际长途电话，您应该还记得这样的情形：您对电话另一端的人讲一句

话，等待片刻后，他/她才能听到您讲的话，然后您还需要再等待片刻才能收到对方的回应。通话过程很

慢也很别扭，但您知道，将您的声音传输到地球的另一端确实需要一些时间。但是，当您在街头与人讲

话或者跟相邻省的人通话时，您就不会感受到这种延迟，对吗？单凭直觉，您也知道将您的声音传到那

么远的地方肯定需要一些时间。

现在，将类似的情形套用到您的电路板上。由于 PCB 上的 IC 之间的距离相对较短（尤其与电话线相比时），

人们往往不认为在 PCB 上传输信号需要时间。但时间是相对的，对于以不足 1 ns 的边缘率开关的信号而

言，IC 之间的这一小段距离不啻于其眼中半个地球的距离。该传输延迟被称为传播速度，计算方法比较

简单，对于典型的 FR4 PCB 材料尤其如此。

让我们来看一下传播速度的数学公式：

电磁波传播的速度

其中，c为光速，μ = 1（因为我们使用的是非磁性材料），而Er为介电常数。对于 FR4 而言，介电常数

通常约为 4.2。该数字存在一定的变数，但在这里我们不做深究。根据该公式，我们可以得出，PCB 上的

Vp约等于，即大约光速的一半。非常简单的数学计算！

现在，通过这个快速简单的数学公式，我们可以知道，信号每 1 ns 的传输距离约为 6 英寸，折合 165 ps/英寸。

我们将此传播延迟称为走线延迟。我们必须记住这些重要的数字，并将它们记在某个地方以方便随时取用。

以上是在信号沿走线传输的过程中关于 PCB 电气特性的一些无可更改的事实数据，现在我们将进入主观可控的部分 — 临界长度。临界长度用于我们刚刚计算的走线延迟与信号边缘率之间的比较，以确定该信号是否可能存在质量问题。

很多情况下，您需要使用 1/3 上升时间规则来执行此项比较。尽管这不失为一种有效的做法，但可能仍无法满足您的质量要求。事实上，您可能需要更保守一些，例如使用 1/6 上升时间规则来捕捉潜在的问题。以下是一个简单的示例，其中用到了一个具有 1 V 电压摆幅和 1 ns 边缘率的 15 欧姆驱动器。接收器是一个高阻抗 CMOS 输入，传输电阻为 50 欧姆并具有变化的上升时间延迟。

从图中不难发现，使用 1/3 上升时间规则时仍存在 300 mV 的较大过冲电压，如果我们使用这个不够保守的数字，可能就会错过这一问题。

不论您选择几分之几的边缘率，您必须牢记的是，走线延迟和边缘率与维持信号保真度密切相关。

在这里，我需要指出的一点是，我们从未谈及工作频率。在本文中，您可以学到的一个重要事实是，信号质量取决于边缘率，而不是工作频率。寻找设计中具有高开关边缘率的网络，而不要单单因为总线的时钟频率高达 400 MHz

就认定它的边缘率很高。

图例：黄色 = 1 ns 走线延迟；蓝色 = 333 ps ；红色 = 100 ps