信号完整性测量是高速通信系统开发的基础。信号频率越高,就更易受干扰而劣化。数字信号(尤其是高于1Gbps的信号)在通过连接器、印刷电路板(PCB)走线、过孔、IC管脚和电缆时,会损失振幅并累积抖动(图1)。因此,传输通道会“伤害”到一个信号的完整性。

数字电路设计者经常依赖信号完整性(SI)实验室和工程师来描述传输系统的特性,通过创建HSPICE模型,设计者可以仿真单个电路或整体系统的性能。有了这些模型,设计者就可以预测一个元件在时域和频域中的表现。
图2表示一个信号通过标准FR4 PCB板上一根走线时的劣化情况。一个带有清晰眼图的串行数据流,经过34in走线的传输后,信号已不能识别。设计者可以对造成眼图闭合的失真进行补偿,如为数据接收器增加自适应均衡器,但这样做需要知道眼图的情况。

连接器与电缆
连接器、电缆、背板和元件制造商一般是在时域中对自己的产品作测试和建模,如用采样示波器和实时示波器、误码测试仪(BERT),以及时域反射计(TDR)等。他们也会用微波测试设备作频域测量,如频谱分析仪和矢量网络分析仪(VNA)。
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电路板与背板
Gore的SI工程师们还要研究PCB材料对高频信号的影响方式。他们知道电路板厚度对信号的影响。PCB越厚,就有更多的过孔变成类似‘树桩’样的传输线,因为它们会辐射干扰,并产生信号的反射,从而降低信号质量。
Elma Bustronic的工程师们在设计背板时也遇到类似问题。工程总监Bagdan Gavril说:“由于‘树桩’问题,背板厚度现在要小于4mm。”过孔长度应只达到要求的长度,过孔中超长多余的金属会表现得像另一根走线。Gavril指出:“(多余金属所产生的)额外的电容可以毁掉一个信号。”
Gavril称在高于1GHz的频率下,必须特别注意电路板设计的错误,而在低频时则不重要。超过3GHz 时,每一点瑕疵都很关键。Elma 现在客户指定的数据速率为6.25Gbps,Gavril预计在2007年底前就会有对10Gbps的查询。
Elma Bustronic的SI工程师用VNA确定背板中传输通道的特性。他们测量阻抗,进行眼图测量,还测量背板的抖动。他们还要测S参数,并为客户生成HSPICE模型,其中包含来自连接器和PCB模型的数据。因此,信号完整性是一个链条,包含从连接器到电路板、有源元件,直到系统。
有源元件
没有现场可编程门阵列(FPGA)这类IC就不成其为完整的电子系统,FPGA制造商Xilinx的SI工程师向连接器、电缆和背板公司一样要测量很多的参数。该公司的SI工程师负责确定SerDes发射机和接收机的特性,并为客户提供用于系统设计的 HSPICE 模型。