何時(shí)會(huì )遇到信號完整性問(wèn)題

多年前，在我開(kāi)始研究信號完整性問(wèn)題時(shí)也曾經(jīng)有過(guò)這樣的疑問(wèn)，隨著(zhù)對信號完整性理解的深入，便沒(méi)有再仔細考慮。后來(lái)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，朋友、同事經(jīng)常向我提出這一問(wèn)題。有些公司制作復雜電路板時(shí)，硬件總也調不通，于是找到我，當我解決了問(wèn)題，并告訴他們，原因就在于沒(méi)有處理好信號完整性設計，負責開(kāi)發(fā)的硬件工程師也會(huì )提出同樣的問(wèn)題。他們通常的說(shuō)法是：高速電路中會(huì )有問(wèn)題，可是什么情況下必須進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的信號完整性設計?

　　不斷的有人問(wèn)我，我不得不作更深入的思考。說(shuō)實(shí)話(huà)，這個(gè)問(wèn)題很難回答，或者說(shuō)他們這種問(wèn)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(wèn)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(guò)這樣的論點(diǎn)，當外部總線(xiàn)頻率超過(guò)80MHz時(shí)，就要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的分析設計，低于這一頻率，不用考慮信號完整性問(wèn)題。對這一論點(diǎn)，我不敢茍同。仔細分析，他們這種問(wèn)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(huà)，我想答案應該是：只要信號畸變到了無(wú)法容忍的程度就要考慮信號完整性問(wèn)題。呵呵，看起來(lái)像是在胡說(shuō)八道，不過(guò)這確實(shí)是能找到的最好的答案了。

　　要想弄清這個(gè)問(wèn)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(wèn)者的說(shuō)法)只不過(guò)是其中的一個(gè)而已，怎么能單單用頻率來(lái)強行地劃分界線(xiàn)!順便說(shuō)一句，很多人說(shuō)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，芯片內部主頻，外部總線(xiàn)帶寬，數字信號波形帶寬，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(wèn)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。

　　信號完整性最原始的含義應該是：信號是否能保持其應該具有的波形。很多因素都會(huì )導致信號波形的畸變，如果畸變較小，對于電路板不會(huì )產(chǎn)生影響，可是如果畸變很大，就可能影響電路的功能。系統頻率(芯片內部主頻以及外部頻率)、電磁干擾、電源波紋噪聲，數字器件開(kāi)關(guān)噪聲、系統熱噪聲等都會(huì )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(huì )出現另一個(gè)問(wèn)題，波形畸變多大，會(huì )對電路板功能產(chǎn)生影響。這沒(méi)有確定統一的指標，和具體應用以及電路板的其他電氣指標有關(guān)。對于數字信號而言，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供電電壓波紋有多大，系統的噪聲余量有多大，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，和系統噪聲，器件非線(xiàn)性特性，電源質(zhì)量等等有關(guān)。

　　是不是聽(tīng)起來(lái)很晦澀!確實(shí)，要說(shuō)清楚這個(gè)問(wèn)題并不容易，因為牽扯到了太多的因素在內。下面這個(gè)數字信號波形的例子能讓你有一個(gè)簡(jiǎn)單直觀(guān)的理解。

　　這是一個(gè)受反射影響的方波數字信號，波形的畸變僅僅是反射的結果，沒(méi)有迭加其他噪聲。假設低電平邏輯小于0.7v，高電平大于2v。對于高電平來(lái)說(shuō)，震蕩的低谷部分可能會(huì )沖到2v以下，此時(shí)電路處于不定態(tài)，可能引起電路誤動(dòng)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(huì )迭加到信號波形上，所以你計算波紋幅度的時(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計有關(guān)。所以你無(wú)法確定一個(gè)統一的畸變標準，只能根據你具體電路的設計和應用綜合考慮。最終的原則只有一個(gè)：通過(guò)信號完整性設計、電源完整完整性設計等手段，將總的信號畸變控制在一定范圍內，保證電路板正常穩定工作。

　　工程中，解決信號完整性的問(wèn)題是一個(gè)系統的工程，并不是一兩種方法就可以包打天下的。什么時(shí)候會(huì )碰到信號完整性問(wèn)題也不是可以硬性的劃一道線(xiàn)來(lái)區分，一句話(huà)，要根據你的實(shí)際情況來(lái)定。

　　可能你會(huì )感覺(jué)，這么多不確定的因素，還怎么在最初設計的時(shí)候考慮信號完整性問(wèn)題?嗯，沒(méi)問(wèn)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(guò)一定的設計技術(shù)來(lái)控制。對于電源波紋問(wèn)題，那是電源完整性的問(wèn)題，又是一個(gè)系統的工程。而其他的電磁干擾，電磁兼容等則是另外一個(gè)系統工程。

　　總之，信號完整性問(wèn)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)習方法，其實(shí)不難。一旦你學(xué)好它，回報是非常高的，畢竟這方面的人才現在是奇缺阿，很多公司給信號完整性工程師開(kāi)價(jià)都在25W以上，如果你很牛的話(huà)，呵呵，決不是這個(gè)價(jià)。

　　好了，廢話(huà)就不多說(shuō)了。對于信號完整性技術(shù)問(wèn)題，我會(huì )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。