信號(hào)完整性在嵌入式板卡中的應(yīng)用

謝巖

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了我們?cè)谠O(shè)計(jì)嵌入式板卡時(shí)經(jīng)常遇到的信號(hào)完整性問(wèn)題，并由此引入與信號(hào)完整性相關(guān)的理論知識(shí)。最終總結(jié)出，在嵌入式板卡設(shè)計(jì)中，為了有效規(guī)避信號(hào)完整性問(wèn)題的出現(xiàn)，我們應(yīng)當(dāng)遵循的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性；信號(hào)反射；特征阻抗；阻抗匹配

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0063-02

1 信號(hào)完整性問(wèn)題實(shí)例

我們?cè)谇度胧礁咚匐娐返脑O(shè)計(jì)和調(diào)試中，經(jīng)常會(huì)遇到一些比較詭異的問(wèn)題。筆者曾經(jīng)親身經(jīng)歷的幾個(gè)問(wèn)題，可以拿出來(lái)分享給大家。

案例1：在某一嵌入式設(shè)備上，在LCD工作時(shí)，給LCD供電的電源，紋波非常大，并且LCD顯示出現(xiàn)不規(guī)律的波紋，影響顯示效果。我們?cè)?jīng)花費(fèi)了很大的精力和時(shí)間，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行調(diào)試，比如在LCD電源的輸出端，增加過(guò)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(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在板卡的小系統(tǒng)上，確切的說(shuō)是出在RAM上。RAM和CPU之間的通信不正常，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，根本無(wú)法完成CPU從RAM中讀寫數(shù)據(jù)的操作。我們?cè)?jīng)懷疑RAM是次品，更換過(guò)RAM，也曾經(jīng)懷疑電路連接錯(cuò)誤，非常認(rèn)真的檢查過(guò)電路，但是始終沒(méi)有找到問(wèn)題的根本原因。

諸如以上的案例還有很多，它們共同的特點(diǎn)是：影響嚴(yán)重，補(bǔ)救困難。問(wèn)題出現(xiàn)之后，我們很難對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定位并分析問(wèn)題原因。而這些問(wèn)題都與信號(hào)完整性有關(guān)。

總結(jié)起來(lái)，信號(hào)完整性研究的就是，如何讓信號(hào)不失真的從源端傳輸?shù)浇邮斩?。在下面的文章中，你將從中看到上述?wèn)題的實(shí)質(zhì)，并從中找到解決這些問(wèn)題的方法。

2 信號(hào)完整性相關(guān)概念

2.1 集總電路和分布式系統(tǒng)

集總電路：電路中的各參數(shù)，只集中于元器件的引腳上，導(dǎo)線透明。

分布式系統(tǒng)：電路中的各參數(shù)，分布于空間各點(diǎn)上，導(dǎo)線不透明。

2.2 “傳輸線”理論

“傳輸線”是一個(gè)專有名詞，與“透明導(dǎo)線”相對(duì)，專門用于高頻信號(hào)傳輸?shù)那闆r。信號(hào)在“傳輸線”上傳輸，在某一時(shí)刻，信號(hào)會(huì)受到來(lái)自“傳輸線”的阻力，并且信號(hào)的傳輸需要一定的時(shí)間。

一條“傳輸線”包含兩部分：信號(hào)路徑和返回路徑[1]。信號(hào)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(qū)別的。

（1）電流由電源出發(fā)，返回到地；而信號(hào)在兩條路徑上，同時(shí)向前前進(jìn)。在低頻下，信號(hào)通過(guò)源端——芯片——GND平面，來(lái)完成回流。而在高頻下，信號(hào)在信號(hào)路徑和返回路徑上，同時(shí)前進(jìn)，所以兩者需要同時(shí)考慮。

（2）信號(hào)回流路徑，未必是GND網(wǎng)絡(luò)，而是離信號(hào)路徑最近的銅皮。在進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們必須將高速信號(hào)的線路作為“傳輸線”來(lái)進(jìn)行分析。而我們要做的主要工作，就是為每條信號(hào)路徑，都要設(shè)計(jì)一個(gè)“好”的返回路徑。所謂“好”，即是信號(hào)路徑要有完整的回流平面（PCB層疊中，信號(hào)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(xù)”。

2.3 特征阻抗

特征阻抗：信號(hào)在“傳輸線”上傳播，每一步所感受到的阻抗，即瞬時(shí)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(hào)傳播的過(guò)程，從而指導(dǎo)我們改善信號(hào)質(zhì)量。對(duì)于特征阻抗和信號(hào)傳播的關(guān)系，有如下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）信號(hào)傳播需要時(shí)延，非瞬時(shí)傳遞。（2）傳播過(guò)程中，時(shí)間凍結(jié)，此時(shí)信號(hào)感受到的瞬時(shí)阻抗，即為特征阻抗。此時(shí)，信號(hào)并不知道后面的負(fù)載情況，只能感受當(dāng)前的負(fù)載。（3）信號(hào)傳播的過(guò)程，即為給傳輸線“通電”的過(guò)程，這些能量來(lái)自信號(hào)源。通電回路由兩線間的耦合電容完成。也正是這些信號(hào)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(hào)傳播速度，并非電子在銅中的運(yùn)動(dòng)速度，而是電場(chǎng)在介質(zhì)中的建立速度，或者是交變電磁場(chǎng)（電磁波）在介質(zhì)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(zhì)厚度l（信號(hào)路徑與返回路徑的距離），信號(hào)路徑銅厚h（路徑高度）和信號(hào)路徑線寬w。我們?cè)O(shè)計(jì)PCB時(shí)，會(huì)對(duì)重要高速信號(hào)進(jìn)行阻抗控制，手段就是通過(guò)調(diào)節(jié)上述信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

2.4 信號(hào)反射

信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。反射會(huì)造成信號(hào)波形出現(xiàn)過(guò)沖、下沖和振鈴[2]。由傳輸線的瞬態(tài)阻抗突變（特征阻抗不連續(xù)），而產(chǎn)生的信號(hào)反射，是所有單一網(wǎng)絡(luò)信號(hào)問(wèn)題產(chǎn)生的根源。

（1）反射發(fā)生的位置。信號(hào)反射總是發(fā)生在阻抗突變的位置，可能是傳輸線末端，可能是互聯(lián)線中任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，如拐角，過(guò)孔，T型線，連接器等。（2）反射系數(shù)。我們假設(shè)一種信號(hào)傳輸情況：信號(hào)傳播歷經(jīng)Z1和Z2兩種特征阻抗的信號(hào)線，在Z1和Z2的交匯處特征阻抗發(fā)生突變，信號(hào)產(chǎn)生反射。此時(shí)，反射系數(shù)ρ=V（反射）/V（入射）=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）。[1]當(dāng)Z2=Z1，也就是前后兩部分的特征阻抗相等時(shí)，反射系數(shù)ρ=0，反射不發(fā)生。這一結(jié)論也與我們長(zhǎng)期以來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一致，這也是為什么我們?cè)赑CB設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行阻抗控制，使信號(hào)各個(gè)層上的走線的特征阻抗保持一致。目的只有一個(gè)——避免信號(hào)反射的發(fā)生。

3 實(shí)例分析

3.1 高速信號(hào)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(wèn)題。通過(guò)分析PCB走線，我們發(fā)現(xiàn)，LCD的信號(hào)線組使用與其相鄰的GND銅皮作為回流層。但在LCD信號(hào)線的返回路徑上，GND回流層被分割為了兩部分。

正是這個(gè)分割導(dǎo)致了LCD信號(hào)線的回流中斷，表現(xiàn)在微觀就是信號(hào)線阻抗的突變。該中斷或突變會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)反射。而這些多余的干擾傳導(dǎo)到LCD電源上就導(dǎo)致了電源紋波的增高，并且很難消除。同時(shí)，LCD信號(hào)質(zhì)量的下降，也使顯示出現(xiàn)波紋。

3.2 高速信號(hào)無(wú)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(dòng)的問(wèn)題。最終在定位了問(wèn)題出在RAM上之后，我們仔細(xì)分析了PCB中RAM數(shù)據(jù)地址信號(hào)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(méi)有整個(gè)鋪銅。這就導(dǎo)致了TOP層的信號(hào)線之下沒(méi)有回流路徑，從而導(dǎo)致了TOP層的信號(hào)阻抗不連續(xù)、不可控。也正是這個(gè)原因，使RAM數(shù)據(jù)信號(hào)（高速信號(hào)）在線上傳輸?shù)馁|(zhì)量很差，最終導(dǎo)致了前面案例的發(fā)生。

4 嵌入式板卡中信號(hào)完整性設(shè)計(jì)原則

綜合以上案例以及筆者經(jīng)驗(yàn)，為了保證信號(hào)質(zhì)量，筆者總結(jié)了以下信號(hào)完整性設(shè)計(jì)原則：

（1）畫原理圖時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為“重要信號(hào)”或者“可能出問(wèn)題的信號(hào)”加源端端接匹配電阻，以備不測(cè)，理論上可以消除振鈴。（2）畫PCB時(shí)，為每條信號(hào)設(shè)計(jì)“好”的信號(hào)路徑，且同時(shí)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?yàn)殡娫从蜉^多時(shí)，電源平面會(huì)分割的很碎，導(dǎo)致回流路徑被隔斷。（4）數(shù)字地和模擬地應(yīng)該分開，但是需要注意返回路徑的連續(xù)。（5）制作PCB時(shí)，重要信號(hào)線（高速信號(hào)）要求廠家進(jìn)行阻抗控制，以保證傳輸線的阻抗連續(xù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了有關(guān)信號(hào)完整性（SI）的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括“傳輸線”及其特征阻抗的概念，以及信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)反射的產(chǎn)生。同時(shí)，結(jié)合筆者親身經(jīng)歷的項(xiàng)目實(shí)例，總結(jié)了我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)遵守的SI設(shè)計(jì)原則，并且為解決某些SI問(wèn)題，提供了建議和參考。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 張娜，秦萌.信號(hào)完整性分析及仿真[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，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