信號完整性在嵌入式板卡中的應用

謝巖

摘要：本文簡要介紹了我們在設計嵌入式板卡時經常遇到的信號完整性問題，并由此引入與信號完整性相關的理論知識。最終總結出，在嵌入式板卡設計中，為了有效規避信號完整性問題的出現，我們應當遵循的設計要點。

關鍵詞：信號完整性；信號反射；特征阻抗；阻抗匹配

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0063-02

1 信號完整性問題實例

我們在嵌入式高速電路的設計和調試中，經常會遇到一些比較詭異的問題。筆者曾經親身經歷的幾個問題，可以拿出來分享給大家。

案例1：在某一嵌入式設備上，在LCD工作時，給LCD供電的電源，紋波非常大，并且LCD顯示出現不規律的波紋，影響顯示效果。我們曾經花費了很大的精力和時間，對該問題進行調試，比如在LCD電源的輸出端，增加過各種濾波的手段等，但效果均不明顯。

案例2：某一嵌入式板卡，不能正常啟動系統。經過調試，發現問題出在板卡的小系統上，確切的說是出在RAM上。RAM和CPU之間的通信不正常，經常出現錯誤，根本無法完成CPU從RAM中讀寫數據的操作。我們曾經懷疑RAM是次品，更換過RAM，也曾經懷疑電路連接錯誤，非常認真的檢查過電路，但是始終沒有找到問題的根本原因。

諸如以上的案例還有很多，它們共同的特點是：影響嚴重，補救困難。問題出現之后，我們很難對問題進行定位并分析問題原因。而這些問題都與信號完整性有關。

總結起來，信號完整性研究的就是，如何讓信號不失真的從源端傳輸到接收端。在下面的文章中，你將從中看到上述問題的實質，并從中找到解決這些問題的方法。

2 信號完整性相關概念

2.1 集總電路和分布式系統

集總電路：電路中的各參數，只集中于元器件的引腳上，導線透明。

分布式系統：電路中的各參數，分布于空間各點上，導線不透明。

2.2 “傳輸線”理論

“傳輸線”是一個專有名詞，與“透明導線”相對，專門用于高頻信號傳輸的情況。信號在“傳輸線”上傳輸，在某一時刻，信號會受到來自“傳輸線”的阻力，并且信號的傳輸需要一定的時間。

一條“傳輸線”包含兩部分：信號路徑和返回路徑[1]。信號的傳輸路徑“傳輸線”與我們熟知的電流傳輸路徑“電源+地”非常相似，但是他們又是有區別的。

（1）電流由電源出發，返回到地；而信號在兩條路徑上，同時向前前進。在低頻下，信號通過源端——芯片——GND平面，來完成回流。而在高頻下，信號在信號路徑和返回路徑上，同時前進，所以兩者需要同時考慮。

（2）信號回流路徑，未必是GND網絡，而是離信號路徑最近的銅皮。在進行高速電路設計時，我們必須將高速信號的線路作為“傳輸線”來進行分析。而我們要做的主要工作，就是為每條信號路徑，都要設計一個“好”的返回路徑。所謂“好”，即是信號路徑要有完整的回流平面（PCB層疊中，信號層要緊靠銅皮平面），且回流路徑不要被“割斷”，保證回流路徑的“連續”。

2.3 特征阻抗

特征阻抗：信號在“傳輸線”上傳播，每一步所感受到的阻抗，即瞬時阻抗。正確理解“傳輸線”特征阻抗的概念，可以幫我們更好的理解信號傳播的過程，從而指導我們改善信號質量。對于特征阻抗和信號傳播的關系，有如下幾個要點：

（1）信號傳播需要時延，非瞬時傳遞。（2）傳播過程中，時間凍結，此時信號感受到的瞬時阻抗，即為特征阻抗。此時，信號并不知道后面的負載情況，只能感受當前的負載。（3）信號傳播的過程，即為給傳輸線“通電”的過程，這些能量來自信號源。通電回路由兩線間的耦合電容完成。也正是這些信號路徑和返回路徑的耦合電容的值，最終決定了特征阻抗的值。（4）信號傳播速度，并非電子在銅中的運動速度，而是電場在介質中的建立速度，或者是交變電磁場（電磁波）在介質中的傳播速度。（5）PCB中影響傳輸線特征阻抗的因素，主要有介質厚度l（信號路徑與返回路徑的距離），信號路徑銅厚h（路徑高度）和信號路徑線寬w。我們設計PCB時，會對重要高速信號進行阻抗控制，手段就是通過調節上述信號實現。

2.4 信號反射

信號沿傳輸線傳播時，所受到的瞬態阻抗發生變化，就會產生信號反射。反射會造成信號波形出現過沖、下沖和振鈴[2]。由傳輸線的瞬態阻抗突變（特征阻抗不連續），而產生的信號反射，是所有單一網絡信號問題產生的根源。

（1）反射發生的位置。信號反射總是發生在阻抗突變的位置，可能是傳輸線末端，可能是互聯線中任意拓撲結構的節點，如拐角，過孔，T型線，連接器等。（2）反射系數。我們假設一種信號傳輸情況：信號傳播歷經Z1和Z2兩種特征阻抗的信號線，在Z1和Z2的交匯處特征阻抗發生突變，信號產生反射。此時，反射系數ρ=V（反射）/V（入射）=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）。[1]當Z2=Z1，也就是前后兩部分的特征阻抗相等時，反射系數ρ=0，反射不發生。這一結論也與我們長期以來的實踐經驗一致，這也是為什么我們在PCB設計時，要進行阻抗控制，使信號各個層上的走線的特征阻抗保持一致。目的只有一個——避免信號反射的發生。

3 實例分析

3.1 高速信號返回路徑被“割斷”

在前面講述的案例1中，我們遇到了LCD電源紋波大，LCD顯示有波紋的問題。通過分析PCB走線，我們發現，LCD的信號線組使用與其相鄰的GND銅皮作為回流層。但在LCD信號線的返回路徑上，GND回流層被分割為了兩部分。

正是這個分割導致了LCD信號線的回流中斷，表現在微觀就是信號線阻抗的突變。該中斷或突變會導致信號在傳輸過程中出現反射。而這些多余的干擾傳導到LCD電源上就導致了電源紋波的增高，并且很難消除。同時，LCD信號質量的下降，也使顯示出現波紋。

3.2 高速信號無返回路徑

在前面講述的案例2中，我們遇到了板卡不能啟動的問題。最終在定位了問題出在RAM上之后，我們仔細分析了PCB中RAM數據地址信號的走線。

PCB頂層TOP，以及第二層SIG，均為RAM部分的走線層，并且沒有整個鋪銅。這就導致了TOP層的信號線之下沒有回流路徑，從而導致了TOP層的信號阻抗不連續、不可控。也正是這個原因，使RAM數據信號（高速信號）在線上傳輸的質量很差，最終導致了前面案例的發生。

4 嵌入式板卡中信號完整性設計原則

綜合以上案例以及筆者經驗，為了保證信號質量，筆者總結了以下信號完整性設計原則：

（1）畫原理圖時，根據經驗為“重要信號”或者“可能出問題的信號”加源端端接匹配電阻，以備不測，理論上可以消除振鈴。（2）畫PCB時，為每條信號設計“好”的信號路徑，且同時考慮其返回路徑完整。最好的回流平面為完整的GND平面。除非必須，否則不要分割地平面。（3）最好不以電源平面回流，因為電源域較多時，電源平面會分割的很碎，導致回流路徑被隔斷。（4）數字地和模擬地應該分開，但是需要注意返回路徑的連續。（5）制作PCB時，重要信號線（高速信號）要求廠家進行阻抗控制，以保證傳輸線的阻抗連續。

5 結語

本文簡單介紹了有關信號完整性（SI）的基礎理論知識，包括“傳輸線”及其特征阻抗的概念，以及信號傳輸過程中，信號反射的產生。同時，結合筆者親身經歷的項目實例，總結了我們在電路設計中應當遵守的SI設計原則，并且為解決某些SI問題，提供了建議和參考。

參考文獻

[1] Eric Bogatin著.信號完整性分析[M].李玉山，等譯.北京：電子工業出版社，2005，4.

[2] 張娜，秦萌.信號完整性分析及仿真[J].計算機與網絡，2012，38（13）：38-41.

Abstract：This paper briefly introduces the problem of signal integrity which we often encounter when designing embedded board， and then introduces the theoretical knowledge related to signal integrity. Finally， it is concluded that in the design of embedded board， in order to effectively avoid the emergence of signal integrity problems， we should follow the design points.

Key words：signal integrity； signal reflection； characteristic impedance； impedance matching