工程设计中常遇到关于信号完整性的5类典型问题

今天咱来扒一扒工程设计中关于信号完整性的那点事，Bala一下工程设计中常遇到的5类典型问题。没有因为这些纠结过的，应该还没开始做SI设计。相信在一线摸爬滚打的工程狮看了会有共鸣！

第一类问题

需要仿真但仅靠单一的仿真手段还不行

有些问题，第一次设计时，如果不依靠仿真，没什么好办法知道到底行不行或者有没有危险。举一个常见的栗子：一拖多拓扑结构，这是一个出现概率很高的设计场景。假如有一个主控板，通过背板（有些公司叫底板）拖6块板卡，如果是第一次设计，那怎么评估这个方案行不行！靠设计规则？靠经验法则？靠猜？那纯粹是撞大运。

当然有些人会说了，打一板试试就知道了。当然可以，但是像这种系统级的方案，打板一次费用和周期都几乎不可接受（当然土豪除外）。要提前评估方案的可行性，理论分析是少不了的，但这个问题仅靠理论分析搞不定。

咱先从理论上看看这个拓扑中会发生什么。芯片的input buffer对信号来说通常表现出很高的阻抗，信号传输到接收芯片会发生反射。下图中6个接收端都会有反射。反射回来的信号遇到走线分叉会分别进入两条岔路，比如从3反射回来的信号沿主干线向左右两个方向传输，传到1、2、4、5、6等接收器时再次发生反射。也就是3反射的信号会干扰其他芯片的接收信号。

同样的，其他任何一个接收器的反射信号都会干扰别的接收器。反射过程会发生很多次，延时叠加，反复的反射震荡，这是一个很复杂的过程，理论上简单，但最终会叠加出来一个神马东西？想不出来，得靠软件。

如果不做任何处理，波形长啥样？简单的仿真就能发现明显的风险，见下图，高低电平冲得太厉害了，有隐患。

通过简单的处理，消弱反射信号在各个接收器之间反复反射震荡，我们可以把波形搞成这个样子。这下放心多了。类似这种需要仿真的问题很多，通过仿真规避风险效果很好的。

第2类问题

无法仿真或很难仿真的问题

仿真是信号完整性设计很有效的手段。仿真软件很神奇，迷倒了一大批工程师。如果这个东西真这么简单那就太好了，click、click、click...，OK，完活，多爽！哪有如此美妙的世界！ 过于依赖仿真，干活时候会经常遇到纠结痛苦的事。尤其把自己定位成仿真工程狮的，面对问题，有时候会无处下手，不知道该仿什么。真要遇到这种事，就该好好考虑一下了，有些事不是仿真能搞定的，也许你遇到的是这第2类问题。 比如下面这个栗子，很酸爽，但绝对没有糖炒的好吃。 有些单板上会有个别时钟信号对抖动要求非常高，如果这个时钟抖动大了，误码测试就不过关。高速串行接口对时钟都是有要求的，我们看下典型接口信号抖动构成，时钟信号的抖动对传输信号的抖动贡献是不能忽略的。 那么问题来了，硬件人员把这个问题丢给你，怎么解决无所谓，硬件要的就是结果，搞定就行。那你怎么搞定这个事？靠仿真么？怎么仿？仿什么？

开工之前，分析一下那些因素会影响时钟的抖动，先列张主要因素的清单： 1、反射（万恶的反射，哪都有它） 2、串扰（万恶的串扰，哪都有它） 3、模态转换（有影响要注意） 4、参考平面（隐藏的雷区） 5、差分对设计（被很多人忽略的） 6、时钟芯片的电源（重头戏） 7、层叠结构安排走线层安排（一念之差的变数） 8、提供时钟的晶振选型（硬件选型会慎重的，通常不用SI人员处理） 9、晶振电源的处理（不可忽略） 其他Layout相关的细节就不说了，单单上面提到的这些就够仿真工程狮喝一壶的（整点二锅头还是伏特加？）。 好吧，仿真工程狮，仿真工程狮，咱开仿。打开神奇的软件，然后呢，没然后了........。往软件里面塞什么内容让它跑仿真？ 那个什么，电源对抖动的影响，仿真肿么破？那个参考平面的影响，仿真肿么破？从仿真的角度来做头疼是必然的。但是如果你换一个角色，以信号完整性设计工程师的角度去看会豁然开朗。该仿真的仿真，仿不了的设计上控制一下不就可以搞（tou）定（lan）了。反正最终要的就一个结果，抖动降下来就OK。 黑猫白猫抓住耗子是好猫。好产品是设计出来的，不是仿出来的。不纠结，做好猫！

第3类问题

需要仿真但仅靠单一的仿真手段还不行

举个典型栗子......。咳咳，又是栗子，够了，被拍飞........。 好吧，鼻青脸肿的咱回来接着说。电源的磁珠滤波（又是万恶的磁珠滤波），话说电源上用磁珠滤波那是比比皆是，话说这个磁珠滤波吃掉了多少硬件人员的加班时间，调试调试再调试，调试到崩溃。咋能偷点懒呢？ 拿来神奇的仿真软件，click、click、click... ... ...OK。三下五除二整出了下面这个漂亮的频响曲线，蓝色的那条是设计好的。怯怯地说一句，偷懒了，直接拷贝的老图，没重新做图，直接被拍飞........。

完工了？真的完工了吗？呃，别高兴太早，一大群邪恶的Bug正在排队赶来准备挖坑呢。象下图这样，磁珠和电容后面拉出来的那条小尾巴，你把它放哪里？拉多长？ 拉线太长了肯定不太好，地球人都知道。试想一下，如果这个小尾巴刚好通过电路板入口电源铜皮正上方会怎样？ 所以相邻的平面层要考虑，如果你把它放在表层，那它下面紧邻的平面层最好是GND。如果安排在内层呢？内层电源平面层往往被分割的很乱，如果这种磁珠滤波器用的比较多，那可能放不下。平面层放不下就得放信号层，问题又来了，夹在上下两个平面之间，而且旁边会有其他信号线。这都是坑，要小心处理。

这个问题仿真能解决磁珠和电容的选型问题，规避那些坑就不能靠仿真了，只能Layout时，认真进行设计控制。

第4类问题

需要进行风险监控的细节问题

有句老话怎么说来着？魔鬼隐藏在细节中！对，是魔鬼，绝对是魔鬼！不少魔鬼会让你不得不激情高昂的去加班去返工。 PCB是一个立体结构，不要总用平面思维去看待PCB。不罗嗦，上图，自己看。俺课件中摘出来的图片，话说每次讲课这张图我都会讲好长时间。

第5类问题

需要Layout前整体规划的问题

不罗罗索索的说教了，整的跟个唐僧似的招人烦，和老于一起重温一下很久以前经历的一件事。历史上的某天，某君打来电话，给老于出了道难题，酱紫的......。 某君：于博士，我有块板子要投板，有点不放心，想让你看看行不行。 老于：啥情况，说说！ 某君：板子上有10G差分接口，有DDR3。 老于：10G是单lane的还是接口的......。 某君：单lane。 老于：好，知道了，你继续。 某君：我把10G差分对走在了靠近top的几个内层，DDR3信号线走的是靠近bottom的内层。 老于：咋不把10G差分对放在靠bottom的内层？有风险，调一下走线层吧！ 某君：差分对线宽线距定了，要调到下面几层，阻抗没法控制100欧...... 老于：你DDR控制到40几欧？ 某君：是。 老于：和板厂沟通，重新定一个层叠就行了呗，这不费多少精力。 某君：层叠都定好了，不能改了。 老于：打下背钻吧。 某君：BGA下的孔太小，怕不安全。 老于：... ... 好纠结的困局，这点事如果画板子之前整体做个规划，哪些信号走哪个信号层，哪个平面层放GND，哪个平面层放电源，也就没这么纠结了。 本来没坑，自己给自己挖了一个。 类似问题还有很多，别小看这个，整体规划可以规避很多不必要的麻烦。

在此特别感谢本次文章原创作者于博士，于博士是著名实战型信号完整性设计专家，同时是《信号完整性揭秘--于博士SI设计手记》一书作者。