高速電路信號完整性問題
信號完整性是指信號在信號線上的質(zhì)量，即信號在電子線路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路設(shè)計(jì)能夠達(dá)到把信號以規(guī)定的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅值在互連系統(tǒng)中傳輸，就表明該電路具有良好的信號完整性，如果達(dá)不到這一要求，則說明此電路的信號完整性較差。
信號完整性分析主要包括對互連結(jié)構(gòu)電氣性能的研究；互連結(jié)構(gòu)用于在電子產(chǎn)品里傳輸信號。按照不同的設(shè)計(jì)層次，片內(nèi)晶圓、封裝結(jié)構(gòu)、多芯片組件和印制電路板都可歸結(jié)到互連結(jié)構(gòu)中。
在現(xiàn)代大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)形成的早期，手工設(shè)計(jì)和布局?jǐn)?shù)字電路是唯一的方法。隨著自動綜合分析技術(shù)的出現(xiàn)，可以采用高級計(jì)算機(jī)語言來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想，然后使用自動設(shè)計(jì)過程來實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在該過程中，設(shè)計(jì)者在很大程度上忽略了電子線路的電氣特征性能。然而，著名的“Moore”定律所預(yù)言的集成化趨勢引發(fā)了一個(gè)新的設(shè)計(jì)前沿問題，此問題使設(shè)計(jì)者不得不考慮線路所引起的各種效應(yīng)。伴隨芯片設(shè)計(jì)規(guī)模小于0，25 ptm，線路延遲越來越可以和門延遲比擬，甚至前者高于后者。結(jié)果是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須在一個(gè)時(shí)序周期內(nèi)考慮線路延遲。采用0，13 gm及以下尺寸的納米技術(shù)之后，數(shù)字設(shè)計(jì)也必須考慮信號（或噪聲）之間的隨機(jī)相互作用。
例如，如果一個(gè)元件輸出一個(gè)上升邊沿約為15ns、時(shí)鐘頻率為⒛MHz的數(shù)字信號，即使采用最劣質(zhì)的互連線路，手工連線布局，電路也可以正常工作。
隨著市場更高的需求，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)者不得不考慮提高時(shí)鐘頻率，縮短信號的上升邊沿。對于市面上大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，普遍認(rèn)為當(dāng)時(shí)鐘頻率超過100MHz或上升邊沿小于1ns時(shí)，信號完整性因素就必須考慮。
在模擬電路中，設(shè)計(jì)者主要考慮物理源引發(fā)的噪聲，物理源通常包括熱噪聲、短噪聲等。一方面，這些噪聲源決定了所能放大信號的最小下限；另一方面也決定了所能放大信號的最大上限。
在數(shù)字電路中，噪聲不是來自于基本的物理源，而是來自于運(yùn)行著的電路本身，尤其是其他信號頻繁翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲。高度化的互連密度導(dǎo)致了每個(gè)網(wǎng)絡(luò)與其余網(wǎng)絡(luò)相隔更近，從而引起了相鄰網(wǎng)絡(luò)的容性耦合。
因此，在未來的硬件電路設(shè)計(jì)開銷方面，邏輯功能設(shè)計(jì)的開銷將大為降低，而與信號完整性設(shè)計(jì)相關(guān)的開銷將占總開銷的80％甚至更多。
大家知道，數(shù)字系統(tǒng)采用0或1用于信號傳遞通信，理想的數(shù)字電路是通過收發(fā)一連串的梯形電壓波來進(jìn)行通信。對于邏輯1和0總有其對應(yīng)的參考電壓。高于“VH”的電平是邏輯1，而低于“VL”的電平視為邏輯O。介于“VL”和“VH”之間的區(qū)域視為不確定狀態(tài)，如圖1所示。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，接收器有可能識別信號為高，也有可能識別為低。每個(gè)接收元件都有識別信號狀態(tài)為高或低的電壓閾值。但在實(shí)際電路中，信號往往呈現(xiàn)出如圖2所示的狀態(tài)，上升到高電平通常伴隨著上沖和振鈴，會影響芯片對邏輯狀態(tài)的判斷。
理解了數(shù)字系統(tǒng)的本質(zhì)，就能夠從根本上抓住信號完整性問題所研究的核心。因此，通常把信號完整性問題分為4種類型。
· 單網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量：在信號傳輸路徑上由于傳輸線、過孔，以及其他互連造成阻抗突變而引起的反射與失真。
· 多網(wǎng)絡(luò)間的相互串?dāng)_：理想回路與非理想回路的電容耦合、電感耦合。
·電源分配系統(tǒng)中的電源和地線噪聲：由于芯片與電源網(wǎng)絡(luò)間存在寄生電感和電阻，當(dāng)大量芯片內(nèi)的電路和輸出級同時(shí)動作時(shí)，會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致電源網(wǎng)絡(luò) 和地網(wǎng)絡(luò)的電壓波動和變化。
