信号完整性设计规则之单根信号失真最小化

本文内容从《信号完整性与电源完整性分析》整理而来，加入了自己的理解，如有错误，欢迎批评指正。

1. 通常采用所能容许的最长上升边。

上升边越短，带宽越大，信号完整性问题越严重。

2. 使用可控阻抗走线。

可控阻抗走线具有相同的特性阻抗，这是确保信号完整性的必要条件。

3. 所有信号应尽量使用低电压平面作为参考平面。

4. 如果使用不同的电压平面作为信号的参考平面，则这些平面之间必须是紧耦合。为此，用最薄的介质材料将不同的电压平面隔开，并使用多个电感量小的去耦电容。

下图中，信号路径1上的电流在悬空平面2的上表面感应出涡流，平面3的返回电流在悬空平面2的下表面感应出涡流，这些感应的涡流在悬空平面2的左侧相连通。

 驱动器在信号路径与底平面3之间的阻抗Zdriver=Z1-2+Z2-3。当Z2-3越小（一般都可满足），Zdriver越接近于Z1-2。

对于多层板中的传输线，驱动器感受到的阻抗主要由信号路径1和与之最近的平面2构成的阻抗决定，而与实际连接在驱动器返回端的平面3无关。

减小相邻平面间阻抗最重要的方法就是尽量减小平面间介质的厚度，这不仅使平面间的阻抗最小，而且两平面会紧密耦合。若平面间是紧耦合，并且它们之间的阻抗很小，则轨道塌陷无论如何都很低，这时驱动器实际连接的是哪个平面都无关紧要了，平面间的耦合为返回电流尽量靠近信号电流提供了低阻抗路径。

5. 单向或双向的点对点拓扑结构都要使用串联端接策略。

这是最常用的方法。

6. 保持桩线的时延小于最快信号的上升边的20%。

此结论来自于SPICE或行为仿真器的仿真结果。

有如下经验法则：

桩线长度Lstubmax(in) < 信号上升边RT(ns)

若上升边为1 ns，就要确保桩线长度小于1 in。

7. 端接电阻应尽可能靠近封装焊盘。

可确保电阻引入的回路电感最小。

8. 如果10fF电容的影响不要紧，就不用担心拐角的影响。

对于高密度电路板中线宽为5mil的典型信号线，一个拐角的电容量约为10fF，此电容量不太可能对信号完整性有很大的影响。

9. 每个信号都必须有返回路径，它位于信号路径的下方，其宽度至少是信号线宽的3倍。

如果50欧姆微带线的返回路径宽度至少是信号线宽的3倍，则其特性阻抗与返回路径无限宽时的特性阻抗的偏差小于1%。

10. 即使让信号走线绕道，也不要跨越返回路径的突变处。

任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素（例如返回路径上有一个间隙）都会增加回路电感，并增加信号受到的瞬时阻抗，这将引起信号失真。

11. 避免在信号路径中使用电气性能变化的走线。

避免信号感受到阻抗变化而出现信号失真。

12. 在上升边小于1ns的系统中，应使用SMT电阻并使其回路电感最小。

若按照上升边是时钟周期的7%计算，RT<1ns，时钟频率f>7%GHz=70MHz，目前基本都是SMT电阻，对回路电感基本都要求最小化，SMT电阻的回路电感一般很低。

13. 在上升边小于150ps的系统中，尽可能减小SMT电阻的回路电感，或者采用集成电阻器。

若按照上升边是时钟周期的7%计算，RT<0.15ns，时钟频率f>467MHz。集成电阻器的回路电感一般更低。

14. 过孔通常呈容性。

15. 可以给低成本连接件的焊盘添加一个小电容，以补偿它的高电感。

连接件的串联回路电感是不可避免的。如果不加以控制，它就可能造成大量的反射噪声。补偿技术是为了抵消部分这样的噪声。

补偿就是尽量让信号感受不到很大的感性突变，而是觉得遇到了与导线特性阻抗相匹配的一段传输线。既然理想传输线可以用单节LC网络实现一阶近似，那么在感性突变两侧各加一个小电容器，就能将感性突变转变为一节传输线。

16. 使所有差分对的差分阻抗为一个常量。

17. 尽量避免差分对不对称。

18. 若差分对的线间距改变，则应调整线宽以保持差分阻抗不变。

弱耦合的最大优点是可以使用较大的线宽（弱耦合和紧耦合100Ω差分对的线宽，前者比后者宽了约30%），大线宽意味着更小的串联电阻损耗。

弱耦合改为紧耦合，差分阻抗会减小，使线宽变窄，差分阻抗就会变大。

19. 只要能保持差分阻抗不变，也可以改变差分对中的耦合。

20. 应尽量使差分对紧耦合。

紧耦合优势：

① 互连密度高，可使电路板的成本降到最低。

② 受害差分对的差分噪声比较小。

③ 由非理想返回路径引起的差分阻抗突变程度比较小。

21. 差分对返回路径避免突变。

对于所有的板级差分对，平面上存在很大的返回电流，所以要尽量避免返回路径中的所有突变。若有突变，对差分对中的每条线都要做同样的处理。

22. 若损耗很重要，应使用尽可能宽的信号线。

信号线越宽，串联电阻损耗越小。

23. 若损耗很重要，应使走线尽量短。

走线越短，损耗越小。

24. 若损耗很重要，应使容性突变最小化。

容性突变指测试焊盘、过孔、封装引线或连接至互连中途的短桩线等。

25. 若损耗很重要，应使信号过孔具有50Ω阻抗。

26. 若损耗很重要，应使用低耗散因子（DF）的叠层，即使用高速板材。

27. 若损耗很重要，应使用预加重和均衡化措施。

预加重：在最初的信号中加入额外的高频分量；

均衡化：事先去掉一些低频分量。