何時(shí)會遇到信號完整性問題

多年前，在我開始研究信號完整性問題時(shí)也曾經(jīng)有過這樣的疑問，隨著對信號完整性理解的深入，便沒有再仔細(xì)考慮。后來在產(chǎn)品開發(fā)過程中，朋友、同事經(jīng)常向我提出這一問題。有些公司制作復(fù)雜電路板時(shí)，硬件總也調(diào)不通，于是找到我，當(dāng)我解決了問題，并告訴他們，原因就在于沒有處理好信號完整性設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)開發(fā)的硬件工程師也會提出同樣的問題。他們通常的說法是：高速電路中會有問題，可是什么情況下必須進(jìn)行專門的信號完整性設(shè)計(jì)?

　　不斷的有人問我，我不得不作更深入的思考。說實(shí)話，這個(gè)問題很難回答，或者說他們這種問法很難回答。他們的意思可以解釋為，速度高了就要考慮信號完整性，低速板不存在這個(gè)問題，那總要有個(gè)臨界頻率，這個(gè)頻率是多少?有人曾提出過這樣的論點(diǎn)，當(dāng)外部總線頻率超過80MHz時(shí)，就要進(jìn)行專門的分析設(shè)計(jì)，低于這一頻率，不用考慮信號完整性問題。對這一論點(diǎn)，我不敢茍同。仔細(xì)分析，他們這種問法的背后是對信號完整性的一種誤解。

　　如果必須有一個(gè)答案的話，我想答案應(yīng)該是：只要信號畸變到了無法容忍的程度就要考慮信號完整性問題。呵呵，看起來像是在胡說八道，不過這確實(shí)是能找到的最好的答案了。

　　要想弄清這個(gè)問題，必須先了解信號完整性的實(shí)質(zhì)到底是什么。產(chǎn)生信號完整性的原因很多，頻率(值得推敲，暫且借用提問者的說法)只不過是其中的一個(gè)而已，怎么能單單用頻率來強(qiáng)行地劃分界線!順便說一句，很多人說頻率的影響，其實(shí)這個(gè)詞很值得推敲。頻率到底指的是哪個(gè)部分的頻率?電路板上有主時(shí)鐘頻率，芯片內(nèi)部主頻，外部總線帶寬，數(shù)字信號波形帶寬，電磁輻射頻率，影響信號完整性的頻率到底指的是哪一個(gè)?問題根源在于信號上升時(shí)間。如果你不是很理解，可以到于博士信號完整性研究網(wǎng)學(xué)習(xí)。

　　信號完整性最原始的含義應(yīng)該是：信號是否能保持其應(yīng)該具有的波形。很多因素都會導(dǎo)致信號波形的畸變，如果畸變較小，對于電路板不會產(chǎn)生影響，可是如果畸變很大，就可能影響電路的功能。系統(tǒng)頻率(芯片內(nèi)部主頻以及外部頻率)、電磁干擾、電源波紋噪聲，數(shù)字器件開關(guān)噪聲、系統(tǒng)熱噪聲等都會對信號產(chǎn)生影響，頻率并不具有特殊的地位，你不能把所有的注意力都放在頻率這個(gè)因素上。

　　那么這里又會出現(xiàn)另一個(gè)問題，波形畸變多大，會對電路板功能產(chǎn)生影響。這沒有確定統(tǒng)一的指標(biāo)，和具體應(yīng)用以及電路板的其他電氣指標(biāo)有關(guān)。對于數(shù)字信號而言，對畸變的容忍度較大。能有多大的容忍度，還要考慮電路板上的電源系統(tǒng)供電電壓波紋有多大，系統(tǒng)的噪聲余量有多大，所用器件對于信號建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求是多少等等。對于模擬信號，相對比較敏感，容忍度較小，至于能容忍多大的畸變，和系統(tǒng)噪聲，器件非線性特性，電源質(zhì)量等等有關(guān)。

　　是不是聽起來很晦澀!確實(shí)，要說清楚這個(gè)問題并不容易，因?yàn)闋砍兜搅颂嗟囊蛩卦趦?nèi)。下面這個(gè)數(shù)字信號波形的例子能讓你有一個(gè)簡單直觀的理解。

　　這是一個(gè)受反射影響的方波數(shù)字信號，波形的畸變僅僅是反射的結(jié)果，沒有迭加其他噪聲。假設(shè)低電平邏輯小于0.7v，高電平大于2v。對于高電平來說，震蕩的低谷部分可能會沖到2v以下，此時(shí)電路處于不定態(tài)，可能引起電路誤動作。所以，迭加在高電平上的波紋幅度不能太大。由于電路存在噪聲，電源也有波紋，這些最終都會迭加到信號波形上，所以你計(jì)算波紋幅度的時(shí)候要考慮這些因素，而這些因素和你的電路板其他部分設(shè)計(jì)有關(guān)。所以你無法確定一個(gè)統(tǒng)一的畸變標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)你具體電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用綜合考慮。最終的原則只有一個(gè)：通過信號完整性設(shè)計(jì)、電源完整完整性設(shè)計(jì)等手段，將總的信號畸變控制在一定范圍內(nèi)，保證電路板正常穩(wěn)定工作。

　　工程中，解決信號完整性的問題是一個(gè)系統(tǒng)的工程，并不是一兩種方法就可以包打天下的。什么時(shí)候會碰到信號完整性問題也不是可以硬性的劃一道線來區(qū)分，一句話，要根據(jù)你的實(shí)際情況來定。

　　可能你會感覺，這么多不確定的因素，還怎么在最初設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮信號完整性問題?嗯，沒問題的，其實(shí)對于所有影響信號質(zhì)量的因素，你都可以通過一定的設(shè)計(jì)技術(shù)來控制。對于電源波紋問題，那是電源完整性的問題，又是一個(gè)系統(tǒng)的工程。而其他的電磁干擾，電磁兼容等則是另外一個(gè)系統(tǒng)工程。

　　總之，信號完整性問題涉及的知識較多，是一個(gè)跨學(xué)科的知識體系。網(wǎng)上關(guān)于信號完整性基礎(chǔ)知識講解很多，但很少有講得很深入的。要想學(xué)好信號完整性，你需要有一定的精力投入，但可以告訴你，只要掌握學(xué)習(xí)方法，其實(shí)不難。一旦你學(xué)好它，回報(bào)是非常高的，畢竟這方面的人才現(xiàn)在是奇缺阿，很多公司給信號完整性工程師開價(jià)都在25W以上，如果你很牛的話，呵呵，決不是這個(gè)價(jià)。

　　好了，廢話就不多說了。對于信號完整性技術(shù)問題，我會在于博士信號完整性研究網(wǎng)的博士講壇欄目進(jìn)行深入探討。