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一、理解临界长度

很多人对于PCB上线条的临界长度这个概念非常模糊，甚至很多人根本不知道这个概念，如果你设计高速电路板却不知道这个概念，那可以肯定，最终做出的电路板很可能无法稳定工作，而你却一头雾水，无从下手调试。

临界长度在业界说法很混乱，有人说3英寸，有人说1英寸，我还听说过很多其他的说法，多数是因为对这个概念理解有误造成的。很多人说，奥，走线太长会引起信号反射，走线很短的话不会产生反射。这种说法是非常错误的，把好几个概念像搅浆糊一样混在一起。那么临界长度到底是什么，是多少，为什么要关注临界长度？

理解临界长度的最好方法就是从时间角度来分析。信号在pcb走线上传输需要一定的时间，普通FR4板材上传输时间约为每纳秒6英寸，当然表层走线和内层走线速度稍有差别。当走线上存在阻抗突变就会发生信号反射，这和走线长度无关。但是，如果走线很短，在源端信号还没上升到高电平时，反射信号就已经回到源端，那么发射信号就被淹没在上升沿中，信号波形没有太大的改变。走线如果很长，发射端信号已经到达高电平，反射信号才到达源端，那么反射信号就会叠加在高电平位置，从而造成干扰。那么走线长度就有一个临界值，大于这个值，返回信号叠加在高电平处，小于这个值反射信号被上升沿淹没。这个临界值就是临界长度，注意，这种定义非常不准确，因为只考虑了一次反射情况，这里只是为了理解概念需要，暂时这样说。

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信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1所示。



图1

那么信号振铃是怎么产生的呢？

      前面讲过，如果信号传输过程中感受到阻抗的变化，就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号，也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式，当信号感受到阻抗变小，就会发生负反射，反射的负电压会使信号产生下冲。信号在驱动端和远端负载之间多次反射，其结果就是信号振铃。大多数芯片的输出阻抗都很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。

      信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。假设驱动端的输出阻抗是10欧姆，PCB走线的特性阻抗为50欧姆（可以通过改变PCB走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整），为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。驱动端传输3.3V电

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一、重视信号上升时间

信号的上升时间，对于理解信号完整性问题至关重要，高速pcb设计中的绝大多数问题都和它有关，你必须对他足够重视。

信号上升时间并不是信号从低电平上升到高电平所经历的时间，而是其中的一部分。业界对它的定义尚未统一，最好的办法就是跟随上游的芯片厂商的定义，毕竟这些巨头有话语权。通常有两种：第一种定义为10-90上升时间，即信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是20-80上升时间，即信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。两种都被采用，从IBIS模型中可看到这点。对于同一种波形，自然20-80上升时间要更短。

好了，只要了解这些就够了。对于我们终端应用来说，精确的数字有时并不是很重要，而且这个数值芯片厂商通常也不会直接给我们列出，当然有些芯片可以从IBIS模型中大致估计这个值，不幸的是，不是每种芯片你都能找到IBIS模型。

重要的是我们必须建立这样的概念：上升时间对电路性能有重要的影响，只要小到某一范围，就必须引起注意，哪怕是一个很模糊的范围。没有必要精确定义这个范围标准，也没有实际意义。你只需记住，现在的芯片加工工艺使得这个时间很短，已经到了ps级，你应该重视他的影响的时候了。

随着信号上升时间的减小，反射、串扰、轨道塌陷、电磁辐射、地弹等问题变得更严重，噪声问题更难于解决，上一代产品中设计方案在这一代产品中可能不适用了。

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前面讲过，对于数字信号的方波而言，含有丰富的高频谐波分量，边沿越陡峭，高频成分越多。而pcb上的走线对于高频信号而言相当于传输线，信号在传输线中传播时，如果遇到特性阻抗不连续，就会发生反射。反射可能发生在传输线的末端，拐角，过孔，元件引脚，线宽变化，T型引线等处。总之，无论什么原因引起了传输线的阻抗发生突变，就会有部分信号沿传输线反射回源端。

反射形成机理很复杂，这包含了很多电磁领域的复杂的知识，本文不准备深入讨论，如果你真的很想知道，可以给我留言，我专门讲解。

工程中重要的是反射量的大小。表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数。反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比，其大小为：(Z2-Z1)/(Z2+Z1)。Z1是第一个区域的特性阻抗，Z2是第二个区域的特性阻抗。当信号从第一个区域传输到第二个区域时，交界处发生阻抗突变，因而形成反射。举个例子看看反射能有多大，假设Z1=50欧姆，Z2=75欧姆，根据公式得到反射系数为：（75-50）/（75+50）=20%。如果入射信号幅度是3.3v，反射电压达到了3.3*20%=0.66v。对于数字信号而言，这是一个很大的值。你必须非常注意他的影响。

实际电路板上的反射可能非常复杂，反射回来的信号还会再次反射回去，方向与发射信号相同，到达阻抗突变处又再次反射回源端，从而形成多次反射，一般的资料上都用反弹

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一、什么是信号完整性

如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。

在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。

广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。

信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。

下面谈谈几种常见的信号完整性问题。

反射：

下图显示了信号反射引起的波形畸变。看起

天亮起来外面又白了，现在已经下午3点半了雪仍然在下。不知道今年怎么了，北方雪特别多。做老师有几个月了，不少恩觉得挺好。可我总觉得有种莫名的压力，原来听到学生说在学校没学到东西，都怪老师，那是并没有在意。可现在我却是担心起来，总觉得学生学不好都是自己的责任。有为湖南的博友王老师曾说“没有教不会的学生，只有不会教的老师”是的，每个人都有自己的成功路线，可总需要别人去发掘，如果作为一名老师没有把自己的学生教好，那将是一种罪过。

担心有很多，担心学生，担心自己的生活，担心工作，担心亲人。正如外面飘洒的雪花，有很多，但却不知道自己要看的到底是哪片。

不知何时自己懒了起来，懒的大力博客，懒的打理圈子，懒的和朋友们去联系，懒的去做事……很多很多。大学的时候我有过这种感觉，那貌似是看不过一些事情放弃的感觉，现在想起来真的有些后怕，大学毕竟就4年，及时全部懒下来也是四年而已，然后今后的人生路呢?它还有几十年，还有未来，真的这么懒下去，那……感觉雪恨冰冷

雪还在漫漫的下，很大，貌似比年前的还要大。想想年前好像是计划改变什么的，可知道现在我几乎仍在重复着年前的生活。做笔记，总结的习惯是要捡起来。雪下的没有目的，不知道自己要落往何处，想想自己也是如此，现在几乎就是盲目的活着，没有方向，不，应该是丢弃了方向，还好印象中有些。

雪很大，很美。不过觉得它太没有力量，就这样漫漫的落。不过，我发现我又错了，地上已经积累起很厚的雪来了，而且难以行走了。想想生活也是，不能天天活的轰轰烈烈的，但总要踏实的积累生活。我想若干年之后，会有一个幸福的生活！

来到北京已经一个多月了，记得仿佛有好多事情要做的，然而现在居然很多没去做。习惯性的上网看看新闻，看看消息打开QQ浏览一遍好友和群……时间也很快就过去了，真的怀疑得了强迫症，每天饭后习惯性的点这些东西，中午点完上班了，晚饭后点完8点了……

前段时间看到A1PASS关于浮躁的文章，真的很佩服这位兄弟，虽然比我小几岁但思维的成熟远远在我之上，我每天沉思的想做这些，做那些，也是由于浮躁的原因终究很多事情没有做成，学校的环境不错，时间很多，这是很多人羡慕的，因为可以用这些大把的时间去做很多事情，然而学校也是个温床，一张令人懒惰的温床，还是要靠自己的约束力来把握。

时间真的快的很快，马上就要放假了，一开学也就3月份，想想自己手头还有这样那样的事情没做，确实很自责。每天想这么些，不如付诸行动的实在，事情总是做不完的，也不能以下子做完，还是一件一件做的好。

想想自己的浮躁，我觉得和自己的方向有莫大的关系，没有一个确切的目标带来的只是茫然，然后是浮躁，待看定方向后回马扬鞭吧！