信号完整性在嵌入式板卡中的应用
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摘要：本文简要介绍了我们在设计嵌入式板卡时经常遇到的信号完整性问题，并由此引入与信号完整性相关的理论知识。最终总结出，在嵌入式板卡设计中，为了有效规避信号完整性问题的出现，我们应当遵循的设计要点。
关键词：信号完整性；信号反射；特征阻抗；阻抗匹配
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0063-02
1 信号完整性问题实例
我們在嵌入式高速电路的设计和调试中，经常会遇到一些比较诡异的问题。笔者曾经亲身经历的几个问题，可以拿出来分享给大家。
案例1：在某一嵌入式设备上，在LCD工作时，给LCD供电的电源，纹波非常大，并且LCD显示出现不规律的波纹，影响显示效果。我们曾经花费了很大的精力和时间，对该问题进行调试，比如在LCD电源的输出端，增加过各种滤波的手段等，但效果均不明显。
案例2：某一嵌入式板卡，不能正常启动系统。经过调试，发现问题出在板卡的小系统上，确切的说是出在RAM上。RAM和CPU之间的通信不正常，经常出现错误，根本无法完成CPU从RAM中读写数据的操作。我们曾经怀疑RAM是次品，更换过RAM，也曾经怀疑电路连接错误，非常认真的检查过电路，但是始终没有找到问题的根本原因。
诸如以上的案例还有很多，它们共同的特点是：影响严重，补救困难。问题出现之后，我们很难对问题进行定位并分析问题原因。而这些问题都与信号完整性有关。
总结起来，信号完整性研究的就是，如何让信号不失真的从源端传输到接收端。在下面的文章中，你将从中看到上述问题的实质，并从中找到解决这些问题的方法。
2 信号完整性相关概念
2.1 集总电路和分布式系统
集总电路：电路中的各参数，只集中于元器件的引脚上，导线透明。
分布式系统：电路中的各参数，分布于空间各点上，导线不透明。
2.2 “传输线”理论
“传输线”是一个专有名词，与“透明导线”相对，专门用于高频信号传输的情况。信号在“传输线”上传输，在某一时刻，信号会受到来自“传输线”的阻力，并且信号的传输需要一定的时间。
一条“传输线”包含两部分：信号路径和返回路径[1]。信号的传输路径“传输线”与我们熟知的电流传输路径“电源+地”非常相似，但是他们又是有区别的。
（1）电流由电源出发，返回到地；而信号在两条路径上，同时向前前进。在低频下，信号通过源端——芯片——GND平面，来完成回流。而在高频下，信号在信号路径和返回路径上，同时前进，所以两者需要同时考虑。
（2）信号回流路径，未必是GND网络，而是离信号路径最近的铜皮。在进行高速电路设计时，我们必须将高速信号的线路作为“传输线”来进行分析。而我们要做的主要工作，就是为每条信号路径，都要设计一个“好”的返回路径。所谓“好”，即是信号路径要有完整的回流平面（PCB层叠中，信号层要紧靠铜皮平面），且回流路径不要被“割断”，保证回流路径的“连续”。
2.3 特征阻抗
特征阻抗：信号在“传输线”上传播，每一步所感受到的阻抗，即瞬时阻抗。正确理解“传输线”特征阻抗的概念，可以帮我们更好的理解信号传播的过程，从而指导我们改善信号质量。对于特征阻抗和信号传播的关系，有如下几个要点：
（1）信号传播需要时延，非瞬时传递。（2）传播过程中，时间冻结，此时信号感受到的瞬时阻抗，即为特征阻抗。此时，信号并不知道后面的负载情况，只能感受当前的负载。（3）信号传播的过程，即为给传输线“通电”的过程，这些能量来自信号源。通电回路由两线间的耦合电容完成。也正是这些信号路径和返回路径的耦合电容的值，最终决定了特征阻抗的值。（4）信号传播速度，并非电子在铜中的运动速度，而是电场在介质中的建立速度，或者是交变电磁场（电磁波）在介质中的传播速度。（5）PCB中影响传输线特征阻抗的因素，主要有介质厚度l（信号路径与返回路径的距离），信号路径铜厚h（路径高度）和信号路径线宽w。我们设计PCB时，会对重要高速信号进行阻抗控制，手段就是通过调节上述信号实现。
2.4 信号反射
信号沿传输线传播时，所受到的瞬态阻抗发生变化，就会产生信号反射。反射会造成信号波形出现过冲、下冲和振铃[2]。由传输线的瞬态阻抗突变（特征阻抗不连续），而产生的信号反射，是所有单一网络信号问题产生的根源。
（1）反射发生的位置。信号反射总是发生在阻抗突变的位置，可能是传输线末端，可能是互联线中任意拓扑结构的节点，如拐角，过孔，T型线，连接器等。（2）反射系数。我们假设一种信号传输情况：信号传播历经Z1和Z2两种特征阻抗的信号线，在Z1和Z2的交汇处特征阻抗发生突变，信号产生反射。此时，反射系数ρ=V（反射）/V（入射）=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）。[1]当Z2=Z1，也就是前后两部分的特征阻抗相等时，反射系数ρ=0，反射不发生。这一结论也与我们长期以来的实践经验一致，这也是为什么我们在PCB设计时，要进行阻抗控制，使信号各个层上的走线的特征阻抗保持一致。目的只有一个——避免信号反射的发生。
3 实例分析
3.1 高速信号返回路径被“割断”
在前面讲述的案例1中，我们遇到了LCD电源纹波大，LCD显示有波纹的问题。通过分析PCB走线，我们发现，LCD的信号线组使用与其相邻的GND铜皮作为回流层。但在LCD信号线的返回路径上，GND回流层被分割为了两部分。
正是这个分割导致了LCD信号线的回流中断，表现在微观就是信号线阻抗的突变。该中断或突变会导致信号在传输过程中出现反射。而这些多余的干扰传导到LCD电源上就导致了电源纹波的增高，并且很难消除。同时，LCD信号质量的下降，也使显示出现波纹。 3.2 高速信号无返回路径
在前面讲述的案例2中，我们遇到了板卡不能启动的问题。最终在定位了问题出在RAM上之后，我们仔细分析了PCB中RAM数据地址信号的走线。
PCB顶层TOP，以及第二层SIG，均为RAM部分的走线层，并且没有整个铺铜。这就导致了TOP层的信号线之下没有回流路径，从而导致了TOP层的信号阻抗不连续、不可控。也正是这个原因，使RAM数据信号（高速信号）在线上传输的质量很差，最终导致了前面案例的发生。
4 嵌入式板卡中信号完整性设计原则
综合以上案例以及笔者经验，为了保证信号质量，笔者总结了以下信号完整性设计原则：
（1）画原理图时，根据经验为“重要信号”或者“可能出问题的信号”加源端端接匹配电阻，以备不测，理论上可以消除振铃。（2）画PCB时，为每条信号设计“好”的信号路径，且同时考虑其返回路径完整。最好的回流平面为完整的GND平面。除非必须，否则不要分割地平面。（3）最好不以电源平面回流，因为电源域较多时，电源平面会分割的很碎，导致回流路径被隔断。（4）数字地和模拟地应该分开，但是需要注意返回路径的连续。（5）制作PCB时，重要信号线（高速信号）要求厂家进行阻抗控制，以保证传输线的阻抗连续。
5 结语
本文简单介绍了有关信號完整性（SI）的基础理论知识，包括“传输线”及其特征阻抗的概念，以及信号传输过程中，信号反射的产生。同时，结合笔者亲身经历的项目实例，总结了我们在电路设计中应当遵守的SI设计原则，并且为解决某些SI问题，提供了建议和参考。
参考文献
[1] Eric Bogatin著.信号完整性分析[M].李玉山，等译.北京：电子工业出版社，2005，4.
[2] 张娜，秦萌.信号完整性分析及仿真[J].计算机与网络，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
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