隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，數(shù)字信號的速率也愈來愈高，Gbps以上的高速信號已經(jīng)隨處可見。面對高速設(shè)計的新領(lǐng)域，硬件設(shè)計工程師們需要改 變傳統(tǒng)的設(shè)計理念，他們需要以更加超前的思維去思考自己將要設(shè)計的信號的質(zhì)量，或許在制定產(chǎn)品設(shè)計方案的時候就需要進行調(diào)研；需要在設(shè)計過程的每一個環(huán)節(jié) 去思考信號質(zhì)量問題，如方案設(shè)計環(huán)節(jié)，原理圖設(shè)計環(huán)節(jié)，PCB設(shè)計環(huán)節(jié)，測試驗證環(huán)節(jié)等等；需要考慮到系統(tǒng)中的每一個構(gòu)成成分可能給信號質(zhì)量帶來的影響， 如過孔，電容，電感，阻抗，接插件等等；所有高速設(shè)計相關(guān)的問題也常被統(tǒng)稱為信號完整性(即SI，Signal Integrity)問題，SI是當前硬件設(shè)計工程師們的一個最熱門的話題之一。和SI相關(guān)的兩個最為重要的工作是信號完整性仿真和信號完整性測試。信號 完整性仿真是指使用仿真軟件將芯片、信號傳輸鏈路的模型連接到一起，進行初步的信號質(zhì)量的預(yù)測，信號完整性仿真中一個最為重要的模型是S參數(shù)模型，它常被 用來模擬傳輸線、過孔、接插件等的模型，在仿真之初S參數(shù)常常是通過電磁場仿真軟件等仿真的方法獲得，然后再用相應(yīng)的測試儀器如TDR、VNA以及力科新推出的新型專用于信號完整性領(lǐng)域的信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ等進行測試驗證。S參數(shù)模型貫穿于整個信號完整性分析過程，它是一切信號完整性問題的心臟。

一、信號完整性的基本概念

SI(Signal Integrity)是指傳輸系統(tǒng)在信號的傳輸過程中保持信號的時域和頻域特性的能力。

在理想情況下，信號在傳輸過程中不應(yīng)該發(fā)生任何的變化，但是真正理想的傳輸通道是不存在的，實際情況是信號經(jīng)過一個非理想的傳輸通道后會發(fā)生各 種各樣的信號完整性問題。從信號質(zhì)量角度考慮，主要有過沖、下沖、振鈴、反射等，信號質(zhì)量問題會導(dǎo)致接收端芯片錯誤的判別接收到的信號的邏輯特性，如將0 電平誤認為是1電平，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤，另外一方面是時序問題，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)和時鐘之間的時序關(guān)系，如接收端的時鐘信號和數(shù)據(jù)信號不滿足建立時間和 保持時間。

概括來說，信號完整性問題主要表現(xiàn)為兩個方面，一是信號質(zhì)量問題；二是時序問題(主要是建立時間和保持時間)。

1、信號質(zhì)量問題

2、時序問題

建立時間是指在時鐘沿到來之前的一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)必須要保持有效狀態(tài)(即高電平有效或者低電平有效)，時鐘沿和數(shù)據(jù)開始有效之間的這段時間即為建立時間值；保持時間是指在時鐘沿之后數(shù)據(jù)還必須保持一段有效狀態(tài)的時間，時鐘沿和數(shù)據(jù)開始失效之間的時間即為保持時間值。

當前高性能示波器中都集成有建立時間和保持時間的專用測量參數(shù)，如下圖所示的Lecroy示波器中的建立時間和保持時間測量示例。

二、如何解決信號完整性問題

當前信號完整性工程師面對信號完整性問題主要有兩個方法，一是信號完整性仿真，二是信號完整性測試。測試的目的的一方面是驗證系統(tǒng)最終的信號完整性性能，二是驗證仿真結(jié)果的準確性。

信號完整性仿真是在系統(tǒng)做成實物之前對整個系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)中各個部分使用等效的電路模型，如下圖5的高速背板系統(tǒng)可以等效為圖6的模型。芯片使用廠家提供的HSPICE模型或者IBIS模型來等效，通道(包括接插件、過孔、傳輸線等)通常使用S參數(shù)模型來等效。

通道的S參數(shù)模型可以通過仿真軟件提取得到，在完成實物以后，再使用測試方法進行S參數(shù)的測試驗證以及系統(tǒng)整體性能的驗證，如測試高速信號的眼圖、抖動等。

由于硬件工程師無法改變芯片的模型，他們能夠分析研究的主要是整個鏈路的通道，而整個鏈路的通道響應(yīng)特性可以由S參數(shù)來衡量。S參數(shù)可以反應(yīng)通 道中各個組成成分的特性，如損耗、衰減、反射等。因此仿真中S參數(shù)的正確性將直接影響到仿真結(jié)果的正確性和可信性。因此，在系統(tǒng)完成后對S參數(shù)進行測試驗 證是非常有必要的。

三、S參數(shù)可反應(yīng)出所有的信號完整性問題

下圖7所示為一個二端口S參數(shù)中的S11和S21的基本圖示，藍色的表示S11參數(shù)又稱為回波損耗,粉紅色的表示S21系數(shù)又稱為插入損 耗,S11表示信號經(jīng)過通道后的反射情況，S21表示信號經(jīng)過通道后的損耗情況。從圖中可見，隨著頻率的升高(S參數(shù)曲線的橫軸表示頻率，縱軸表示幅 度)，反射越來越強(S11曲線越接近0dB),損耗越大(S21曲線下降的越大)。反射越強表明系統(tǒng)的匹配可能沒有做好，通道損耗過大表明走線可能太長 了，曲線不平滑則表明通道的阻抗連續(xù)性不是很好等。

四、S參數(shù)的測量

S參數(shù)通常使用TDR(時域反射計)或者VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)來測量，但這兩者都比較昂貴。尤其是VNA，因為其主要用于微波領(lǐng)域，包含有很多具有微波特性的功能，因此價格往往比較貴，且功能復(fù)雜，操作校準都需要一定的專業(yè)知識才不容易出錯，而信號完整性領(lǐng)域的S參數(shù)測試則完全不需要具有很多功能的VNA或者TDR。力科公司最近推出一款全新概念的專用于信號完整性領(lǐng)域的S參數(shù)測量的儀器，叫SPARQ，即信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀，用一句話概括即：SPARQ是一鍵操作式40GHz,4端口信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀，是信號完整性工程師以經(jīng)濟型投入并能夠快速、方便、準確的測量出S參數(shù)和TDR的一種新型儀器。這款儀器非常適合于廣大信號完整性工程師使用。