高速数字设计和信号完整性--导论
信号完整性上岗培训教材
信号完整性上岗培训教材编辑：审核：校对：中兴通讯上海第一研究所目录第一章高速数字设计和信号完整性分析导论1．基本概念2．理想的数字信号波形2．1理想的TTL数字信号波形2．2理想的CMOS数字信号波形2．3理想的ECL数字信号波形3．数字信号的畸变3．1地线电阻的电压降的影响3．2信号线电阻的电压降的影响3．3 电源线电阻的电压降的影响3．4 转换噪声（SSN）3．5 串扰噪声（Crosstalk）3．6 反射噪声（Reflection）3．7 边沿畸变4．研究目的5．研究领域6．研究手段第二章数字电路工作原理1．数字电路分类2．基本结构和特点2．1 TTL2．2 CMOS2．3 LVDS2．4 ECL3．电路特性3．1转换特性3．2V/I特性3．3热特性及寿命3．4直流噪声容限3．5交流噪声容限4．电路互连4．1工作电压4．2逻辑电平范围4．3噪声5．电路选型基本原则第三章传输线理论1．基本概念2．基本特性2．1特性阻抗2．2延迟3．传输线分类3．1非平衡式传输线3．2平衡式传输线4．常用传输线4．1圆导线4．2微带线4．2．1一般微带线4．2．2埋入式微带线4．3带状线4．3．1非对称式带状线4．3．2对称式带状线5．反射和匹配5．1反射系数5．2反射的计算5．3传输线的临界长度5．4传输线的匹配和端接5．4．1终端电阻并联匹配5．4．2终端阻容式并联匹配5．4．3始端串联匹配5．4．4二极管嵌位6．串绕6．1正向串绕6．2反向串绕6．3平行线和重叠线7．负载效应7．1直流负载和交流负载7．2 最小间隔7．3 集中负载7．4 分布负载7．5径向负载8．负载驱动方式8．1点对点8．2串推8．3星型8．4扇型9．传输线损耗9．1 集肤效应9．2邻近效应9．3辐射效应9．4介质损耗第四章直流供电系统设计1．基本概念2．设计目标3．一般设计规则4．多层板叠层结构5．电流回路5．1基本概念5．2回路面积5．3参考平面的开槽5．4连接器的隔离盘6．去耦电容极其应用6．1去耦电容6．2低频大容量去耦电容6．3高频去耦电容6．4多层片式陶瓷电容的材料选择6．5表面贴装电容的布局和布线6．6多层印制板中的平面电容6．7埋入式电容7．噪声抑制7．1系统电源变化7．2系统电源的电位差7．3系统逻辑地的电位差7．4地电平抖动第五章《TTL/CMOS通用设计规范——信号完整性要求》1．电气特性和器件选型2．一般设计规则3．传输线设计4．负载驱动规则5．时钟的产生和分配6．电源和地系统设计7．受控阻抗连接器设计8．逻辑级延的估算9．印制板设计规则10．热设计要求第六章《印制电路板设计规范——信号完整性要求》1．分类1．1印制板的类型1．2可生产性等级2．一般要求2．1电气连接的准确性2．2印制板的可制造性2．3印制板的可测试性2．4印制板的可靠性2．5印制板组件的维修性2．6元器件的安装形式3．详细要求3．1材料选择3．2电气性能3．3设计规则3．4电路设计3．5印制板的结构3．6机械3．7散热3．8环境3．9CAD/CAM/CAT第七章ES6000工程设计规范1．适用范围2．引用标准和文献3．符号、缩略语4．信号完整性设计目标4．1 系统噪声分配4．2 LVDS差分信号传输噪声分配4．3 LVPECL差分信号传输噪声分配5．高速信号传输规则5．1 传输设计5．2 传输线匹配规则5．3 信号传输的一般规则5．4 G.LING的信号传输5．5 SDRAM接口5．6 EHI接口5．7 LVPECL信号传输5．8 LVDS信号传输5．9 印制电路板布线的一般要求5．10 背板连接器中信号针与地针的分布6．背板设计规则6．1 印制板材料6．2 印制板结构和尺寸6．3 印制板电源、地层结构6．4 印制板孔、盘尺寸6．5 印制板布线规则7．主控与交换板设计规则7．1 印制板材料7．2 印制板结构和尺寸7．3 印制板电源、地层结构7．4 印制板空、盘尺寸7．5 印制板布线规则8．ATM接口板设计规则8．1 印制板材料8．2 印制板结构和尺寸8．3 印制板电源、地层结构8．4 印制板孔、盘尺寸8．5 印制板布线规则9．其他线路接口板设计规则9．1 印制板材料9．2 印制板结构和尺寸9．3 印制板电源、地层结构9．4 印制板孔、盘尺寸9．5 印制板布线规则第一章 高速数字系统设计的信号完整性分析导论1. 基本概念高速数字设计(High-Speed Digital Design)强调被动元件的特性及其对电路性能的影响， 包括导线、印制电路板以及集成电路封装等等；高速数字设计研究被动元件如何影响信号传输 (振铃和反射)， 信号之间的相互作用(串扰)； 信号完整性 (Signal Integrity ，以下简称SI) 是指信号在信号线上的质量。
Signal Integrity for High Speed Digital Design 对高速数字信号完整性设计
Signal Integrity for High Speed Digital Design Toyobur Rahman1, Zhaowen Yan2, Idrissa Abubakar3School of Electronic and Information Engineering, Beihang University,Xue Yuan Lu No. 37, Haidian District, Beijing, China1toyoburr@2yanzhaowen@3idrissaabubakar@Abstract— In an era of compact design and higher clock speed signal integrity is an ever increasing concern for high speed digital design. For any high speed design it is very important to do the signal integrity analysis. In this paper the importance, measurement technique and simulation tools of signal integrity for high speed digital design has been presented in a short and simple way.Index Terms-Signal Integrity, High Speed Digital Circuit, Signal Integrity measurement, SI Simulation.I.I NTRODUCTIONSignal integrity in modern electrical engineering has become more and more important to the designers and the researchers with the wide application of all kinds of electronic circuit and power electronics technologies.PCB designs are undergoing dramatic changes in recent times with respect to reduction of sizes and weight while making them more electrically and environmentally friendly. As high speed applications are on the increase with respect to digital computers and single board computer cards in the computing and communication industries, there are more challenges in PCB design, signal integrity and its EM compatibility.As clock frequencies increase, identifying and solving signal integrity problems become critical. The successful companies will be those that master the signal integrity problems and implement an efficient design process to eliminate these problems. It is by incorporating new design rules, new technologies and new analysis tools that higher performance designs can be implemented and meets ever shrinking schedules [1].Originating from timing issues in digital circuit SI design has undergone significant changes in past one and half decade. With the continuous increase in operating speed, frequency and circuit density as well as the decrease of circuit dimension, system from factor, and logic level, is increasingly critical to ensure good SI design for high speed digital design [2].In this paper in section II signal integrity issue has been discussed. The importance of signal integrity has been presented in section III. In section IV the different measurement technique has been appended. Different simulation tools have been presented in section V.II.SIGNAL INTEGRITYIn the old days when the processor speed was very less then the designers main concern was routing the signals. At that time the designers need not bother about the electrical performance of interconnects. But now with increase of clock speed the rise time has decreased a lot, as such the designers are more concern about the electrical performance of the interconnects, transmission line and jitter performance.A.What is Signal Integrity?Signal integrity refers, in its broadest sense, to all the problems that arise in high speed products due to interconnects. It is about how the electrical properties of interconnects, interacting with the digital signal’s voltage and current waveforms, can affect performance [1]. These problems fall into the following categories:•Timing•Noise•Electromagnetic interference (EMI)III.IMPORTANCEMoore’s law gives the earliest development of electronic product – smaller, faster, cheaper, shorter development cycles. Modern electronic system has reached GHz and above UHF design. Signal integrity has become the bottle neck behind the rapid development of electronic circuit technology and electronic design.In today’s high speed digital design with pushing behind the 1 GHz barrier, designers must meet the signal integrity and electrical performance with other concern. In the current high speed world the packaging and interconnects are not electrically transparent to the signal, so a new method is needed. Signal integrity is something which ensures the proper transmission of the signal from the driver to the receiver.Poor signal integrity would cause malfunction of product during the later stage of the product cycle or even after release of the product in the market. This may cause huge loss of name, fame and money. So it is very important to ensure the proper signal integrity of the product before it goes for commercial production.IV.MEASUREMENT TECHNIQUEDuring any design process, the designer will have two questions regarding the accuracy and the bandwidth of the model. Now to clarify these it needs some tools which is measurement. Measurements play a great role for risk reduction and better product. Various kinds of measurements are performed for signal integrity both in time and frequency domain. The three generic measurement instruments are the impedance analyser, vector network analyser and time domain reflectometer [1]. An important portion of signal integrity measurement involves accurate characterisation of passive component in frequency domain using vector network analyser (VNA). As most of the circuit in PCB and package are not coaxial so test fixture is needed for those. To reduce the effect of the connectors, a probing station is sometimes used at both PCB and package level. A lot of work has focused on VNA measurement technique. In [4] the parameters of transmission lines embedded in multilayered PCBs were measured up to 18 GHz based on a mathematical error-removal scheme using two different length transmission lines and a via hole structure that minimize coupling. In [5] coupled transmission lines have been experimentally characterized using four port s-parameter measurements up to 20 GHz. An analytical methodology for characterizing electrical transitions associated with transmission line-based microwave channels was presented in [6]. Several de-embedding standards and a statistical parameter estimation technique were studied in [7].Fig.1. Measurement in laboratory with VNAFor signal integrity design it is very important to quantify transmission line parameters, impedance matching, discontinuities as transmission lines are widely used in high speed digital circuits. Time domain reflectometry also known as time domain transmission measurement are also widely used. TDR is simple and provide straightforward information. Though its range is much smaller than VNA, but it is widely used in manufacturing factory due to cost consideration. A Test picture with TDR is given in Fig.2.Fig.2. Measurement in Laboratory using TDRThere is another set of measurement available which is aimto check the performance of the overall high speed link and system interface. This measurement involves a few instrument like oscilloscope bit error rate tester, jitter analyser and spectrum analyser [8]-[11].V.SIMULATION TOOLSSimulation is about predicting the performance of the system before building the hardware. It used to be only those nets in a system those were sensitive to signal integrity effects [1]. As the clock speed is increasing day by day the complexity of the circuit nets also increasing. So before finalizing any high speed design it is important to simulate the entire design in order to predict the electrical performance. There are three electrical simulation tools that predict the analog effects of the interconnects on signal behaviour [1], those are:•Electromagnetic simulators which solve Maxwell’s Equations and simulate the electric field and magneticfields at various locations in the time or frequencydomains.•Circuit simulators, which solves the differential equations corresponding to various circuit elements andinclude Kirchhoff’s current and voltage relationships topredict the voltage and currents at various circuit nodes,in the time and frequency domains.•Behavioural simulators, which use models based on tables and transmission lines and other passive-elementmodels based on transfer functions which quicklypredict the voltage and currents at various nodes,typically in the time domain.Though Maxwell’s equations can handle all the physics, but it is not practical to simulate other than simple structure, as it has got some limitation. Circuit simulator is comparativelyeasier and quicker to apply. In circuit simulator the simulation tools represents the signal as voltage and current. The most popular circuit simulator is SPICE (simulation program with integrated circuit). Behavioural simulators use tables and specialized transfer functions to simulate voltage and current. The main advantage over circuit simulator is the computation speed [1].A.SPICEThe most popular circuit simulator is called SPICE (simulation program with integrated circuit). SICE is a universal simulation tools to analyse electrical connection on chip, board and system level in the steady state, transient and frequency domain. It was originally developed at University of Berkeley in 1972. Within very short time it became popular in the universities as well as in semiconductor industries. Today a large varieties of vendor offer different SPICE derivatives for hardware platforms like personal computer, workstations, supercomputer etc. [3].B.HyperLynxHyperLynx enables the engineers to quickly and accurately analyze and eliminate signal integrity and EMI/MEC design problems early in the design cycle. HyperLynx signal integrity comes ready to use in virtually any PCB design flow and offers unprecedented time to results, improving productivity, reducing development and product costs, and increasing product performance.C.ProtelProtel is a complete board level design solution that provides all of the capabilities needed to take any board level design project from concept to completion. It features hierarchical, multi channel schematic capture for PCB and FPGA implementation, mixed signal simulation and signal integrity analysis, through to rules driven board layout.D.CSTCST (computer simulation technology) offers a wide range of software product to face the simulation challenges in the core market. It was first founded in Germany in 1992. CST microwave studio enables the real transient simulation of signal on its way through traces, vias, transmission lines, back planes and interconnects delivering result like eye diagram or TDR.E.ADSADS (Advance Design System) is an electronic design automation software for RF, microwave and high speed digital applications. It was produced by Agilent EEsof EDA. ADS supports every steps of design process , schematic capture, layout, frequency domain and time domain circuit simulation and electromagnetic field simulation allowing the engineer to fully characterize and optimize an RF design without changing tools.VI.C ONCLUSIONSIn this paper mainly the importance of signal integrity, measurement techniques of it and available different simulation tools have been presented. As the processor speed is increasing day by day the signal integrity design and EMC problem becoming more and more critical. Therefore; to solve these problems and make the design an efficient one there is no alternative of signal integrity of high speed digital design.R EFERENCES[1]Eric Bogatin, Signal Integrity: Simplified, Prentice Hall. 2003 Ed.[2]Jun Fan, Xiaoning Ye, Jingook Kim, Bruce Archambeault andAntonio Orlandi, “Signal Integrity Design for High-Speed DigitalCircuits: Progress and Directions” IEEE transaction on Electromagnetic Compatibility, Volume: 52, Issue: 2, pp. 392-400,May 2010.[3]Roland H. G. Cuny, “SPICE and IBIS Modeling kits The Basis forSignal Integrity Analysis” IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility 1996, pp. 204–208, 1996.[4]K. naritha and T. Kushta, “An accurate experimental method forcharacterizing transmission lines embedded in multi layer printedcircuit board,” IEEE Trans Adv. Package vol. 29, no. 1 pp. 114-121,Feb. 2006.[5] D. Kim and Y. Eo, “S-parameter-measurement-based-time-domainsignal transient and crosstalk noise characterizations of coupledtransmission lines,” IEEE trans. Adv. Package, vol. 32, no. 1, pp 152-163, Feb 2009.[6]R. Torres-Torres, G. Hernandez-Sosa,G. Romo, andA. Sanchez,“Characterization of electrical transitions using transmission line.measurements,” IEEE Trans. Adv. Packag., vol. 32, no. 1, pp. 45–52,Feb.2009.[7]M. Ferndahl, C. Fager, K. Andersson, P. Linner, H. Vickes, and H.Zirath, “A general statistical equivalent-circuit-based de-embeddingprocedure for high-frequency measurements,” IEEE Trans. Microw.Theory Tech, vol. 56, no. 12, pp. 2692–2700, Dec. 2008.[8] C. Morgan, “A signal integrity comparison of 25 Gbps backplanesystems using varying high-density connector performance levels,”presented at the DesignCon 2009, Santa Clara, CA, Feb 2009.[9]P. Amleshi, D. Brunker, B. Hauge, J. Laurx, and M. Moeller,“Interconnect design optimization and characterization for advancedhigh-speed backplane channel links,” presented at the DesignCon 2009,Santa Clara, CA, Feb.[10]G. Havermann and M. Witte, “Artificial card-edge interfaces for 10Gbps module cards: How the high-speed propagation characteristicsare affected by exchanging the PCB-Edge with a connector,” presentedat the DesignCon 2007, Santa Clara, CA, Jan.[11]W. T. Beyene, C. Madden, J. Chun, H. Lee, Y. Frans, B. Leibowitz, K.Chang, N. Kim, T. Wu, G. Yip, and R. Perego, “Advanced modelingand accurate characterization of a 16 Gb/s memory interface,” IEEEtrans.Microw. Theory Tech, vol. 56, no. 12, pp. 2692–2700, Dec. 2008.。
高速电路设计信号完整性的一些基本概念
高速电路设计信号完整性的一些基本概念1、信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。
2、传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。
3、集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。
4、分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。
5、上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。
6、截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。
7、特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。
可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。
8、传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tPD。
9、微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
10、带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。
11、趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。
高速电路信号完整性分析与设计二
第二章 高速电路信号完整性分析和设计-高速信号完整性的基本理论2.1 基本电磁理论本书主要讨论高速数字电路中信号完整性分析和高速电路设计的基本方法，而信号完整性分析是以电磁场理论作为基本理论，因此必须首先讨论高速信号完整性所涉及的基本电磁理论，在此基础上建立信号完整性的理论基础，从而可以对基于信号完整性的设计和仿真分析及结果做出理论解释。
信号完整性分析所涉及的基本电磁理论基础包括：麦克斯韦方程组、传输线理论、匹配理论等。
2.1.1 麦克斯韦方程组经典电磁理论的基石是麦克斯韦方程组，它是描述描述一切电磁现象的基本规律。
1、法拉第电磁感应定律表现为变化的磁场产生电场的规律。
对于电磁场中任意的闭合回路：t d d φε-=，即：S d s B tl d E ⎰⋅∂∂-=⎰⋅ （2－1） 对应的微分形式为： tBE ∂∂-=⨯∇ （2－2） 2、传导电流和变化的电场是产生磁场的两个源：S d s tDJ l d H ⎰⋅∂∂+=⎰⋅)( （2－3） 对应的微分形式为： tDJ H ∂∂+=⨯∇ （2－4） 3、麦克斯韦方程组构成经典电磁理论的基础。
麦克斯韦方程组如下：微分形式积分形式tDJ H ∂∂+=⨯∇S d stDJ l d H ⎰⋅∂∂+=⎰⋅)( tBE ∂∂-=⨯∇ S d tBl l d E s ⋅∂∂--=⎰⋅⎰（2－5） 0=⋅∇B 0=⎰⋅s S d Bρ=⋅∇Dq s S d D =⎰⋅在线性、各向同性媒质中，场量的关系由三个辅助方程E D ε=, H B μ=, E J δ= （2－6）表示，称为本构关系。
电磁参量ε、μ、δ和位置无关的均匀媒质；反之为非均匀媒质。
对于各向异性媒质，这些电磁参量为张量；非线性媒质的电磁参量和场强相关。
只有代入本构关系，麦克斯韦方程才是可以求解的。
4、高频时的一些效应：集肤效应：在高频情况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还不足良导体中一个波长的距离上，电磁波已受到显著衰减，所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象称为集肤效应。
高速数字信号的信号完整性与电磁兼容性设计
摘要：在现代高速数字电路设计中，信号完整性和电磁兼容性是设计中非常重要的问题。
只有很好地控制串扰、地弹、振铃、阻抗匹配、退耦等电磁兼容因素，才能设计出成功的电路。
模拟电路原理在高速数字电路设计的分析和应用中发挥着很大的作用。
此处较详细地解释了高速数字电路设计中上述电磁兼容问题的产生原因以及解决方法，最后给出了一个实际设计的仿真实例来说明以上现象。
关键词：高速数字电路；信号完整性；电磁兼容性；EDA仿真引言：纵观电子行业的发展，1992年只有40％的电子系统工作在30 MHz以上，而且器件多使用DIP、PLCC等体积大、引脚少的封装形式；到1994年，已有50％的设计达到了50 MHz的频率，采用PGA、QFP、RGA等封装的器件越来越多；1996年之后，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，100 MHz以上的系统已随处可见，采用CS(线焊芯片级BGA)、FG(线焊脚距密集化BGA)、FF(倒装芯片小间距BGA)、BF(倒装芯片BGA)、BG(标准BGA)等各种BGA封装的器件大量涌现，这些体积小、引脚数已达数百甚至上千的封装形式已越来越多地应用到各类高速、超高速电子系统中。
从IC芯片的发展及封装形式来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；同时，由于近年来IC工艺的发展，使得其速度也越来越高。
这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为一个设计能否成功的关键因素。
随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。
对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在评定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。
因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性(Signal Integrity，SI)问题。
高速数字设计学习笔记
第一章高速数字设计主要研究无源元件对信号传播的影响(震荡和反射)、信号间的相互作用(串扰)以及外界的相互作用(电磁干扰)。
1）对于任何数字信号，可以从其频谱图或者功率谱图上看出其转折频率点knee F (也就是信号增益或者幅度急转直下的那个频率点)，这个频率与信号的上升时间r T 有关系，而与信号的时钟速率无关，具体的关系如下：knee 0.5rF T 其中，r T 为10%~90%信号脉冲上升或者下降时间2）任何数字信号的重要时域特性主要由knee F 频率以下的信号频谱所决定，如此，可得以下两个数字电路的重要特性：1. 任何在其转折频率以内包括转折频率，具有一个平坦频率响应的电路，可以允许一个数字信号几乎无失真的通过。
knee f F2. 数字电路的频响在knee F 以上的频率特性对于它如何处理数字信号几乎没有什么影响。
该频率以上的特性对输入信号就是消极影响了，应该避免输入信号的特性进入这一区域。
3）记忆要点：1. 电路的高频响应，影响其对瞬时过程的处理。
低频响应，影响其对长期过程的处理2. 数字脉冲的大部分能量集中在转折频率knee F 以下3. 电路对阶跃信号的边沿的处理，取决于它的转折频率特性(电路频率响应的截止频率)，转折频率越大，说明电路的通频带越宽，高频处理能力越大。
4）导线和印刷电路中电信号的传播速度取决于其周围的介质电磁场在不同的介质中的传播延迟。
常用的印刷电路板材料FR4在低频时的介电常数为 4.7左右，高频时为 4.5左右。
另外，走线的几何结构和空间分布决定了其电场是驻留与电路板内部还是在大气中。
当电场停留在电路板中时，实际的介电常数增大。
所以，可以预测，PCB 外层走线的介电常数小于内层走线(被上下两个地平面完全封闭在电路板内部)，因而，外层走线传输速度高，内层走线传输速度小。
5）如果系统的物理尺寸足够小，并且所有的点在同一时刻响应为统一的电位，那么这个系统就是一个集总系统，如果电位不统一，则为分布式系统。
高速数字电路信号完整性分析
2. 2信号反射
图3串扰类型示意图
在高速数字电路中，信号在线路传输的过程中，当线路 的阻抗发生不连续时，部分信号能量将在阻抗不连续点处发 生回传现象，称之为信号发射,发射能量的大小取决于阻抗 失配程度,随着阻抗失配的增大，信号发射也会增强。在信号 传输过程中,线路任何的不均匀性都可能造成信号发射，例 如阻抗突变和线路直角等，反射可以导致模拟信号出现驻 波，而对于数字信号，可以发生过冲和下冲影响。过冲和下冲
参考文献
[1]唐怀坤.基于智能知识管理的咨询设计全过程管理[J],中
器件受损,特别严重的下冲可能超出逻辑电路的输入切换门 限，造成电路出现逻辑错误。
线路阻抗受到影响的因素主要可以分为三类:线宽、线 高和介质材料。传输线路可以看作是无线个电容和电感构 成，其具有一个定常的阻抗值，阻抗值有特征电感与特征电 容的比值得到，当在线路的一端加入一个电阻,当电阻与线路 阻抗相匹配时，可使得线路的反射系数为零，从而避免发生反 射o消除反射方法主要包括并联匹配法、交流匹配法、戴维南匹 配法、源端匹配法和二极管匹配法等。在实际的电路中,应注意 匹配电路的设计位置，通过合理的布局避免发射的发生。
High speed digital circuit signal integrity analysis
Sun Ting, Wang Chong (Xi'an fenghuo electronic technology Co, Ltd, Xi'an Shaanxi, 710000)
Abstract:The signal integrity analysis of high speed digital circuit design is of great significance to improve PCB design, modeling of the high-speed transmission circuit, puts forward the key factors influencing the signal integrity, analysis the signal crosstalk, reflection and simuItaneously switching noise influence the key problems of signal integrity, and put forward relevant solutions. Through signal integrity analysis, circuit design cycle can be shortened and circuit design cost can be reduced. Keywords： digital circuit; Signal irrtegrity; Crosstalk; Reflection; noise
射频_微波工程师经典参考书汇总
射频_微波工程师经典参考书汇总1.《射频电路设计--理论与应用》『美』 Reinhold Ludwig 著电子工业出版社个人书评:射频经典著作，建议做RF的人手一本，里面内容比较全面，这本书要反复的看，每读一次都会更深一层理解.随便提一下，关于看射频书籍看不懂的地方怎么办,我提议先看枝干或结论有个大概印象，实在弄不明白就跳过(当然可问身边同事同学或GOOGLE一下)，跳过不是不管它了，而是尽量先看完自己能看懂的，看第二遍的时候再重点抓第一次没有看懂的地方，人的思维是不断升华的，知识的也是一个系统体系，有关联的，当你把每一块砖弄明白了，就自然而然推测出金字塔塔顶是怎么架设出来的。
2. 《射频通信电路设计》『中』刘长军著科学技术出版社个人书评:有拼凑之嫌(大量引用书1和《微波晶体管放大电路分析与设计》内容)，但还是有可取之处，加上作者的理解，比看外文书(或者翻译本)看起来要通俗易懂，毕竟是中国人口韵。
值得一看，书上有很多归纳性的经验.3(《高频电路设计与制作》『日』市川欲一著科学技术出版社个人书评:本人说实话比较喜欢日本人写书的风格和语言，及其通俗，配上图示，极其深奥的理论看起来明明朗朗，比那些从头到尾只会搬抄公式的某些教授强们多了，本书作者的实践之作，里面都是一些作者的设计作品和设计方法，推荐一看..5. 《振荡电路设计与应用》『日』稻叶宝著科学技术出版社个人书评:这边书还不错，除了学到振荡电路设计，还学到了很多模拟电路的基础应用，唯一缺点书中的内容涉及频率的都不够高(k级，几M,几十，几百M的振荡器)，做有源电路的可以看一下,整体感觉还行.6. 《锁相环电路设计与应用》『日』远坂俊昭著科学技术出版社个人书评:对PLL原理总是搞不太明白的同学可以参考此书，图形图片很多，让人很直观明白，比起其他PLL书只会千篇一律写公式强千倍。
好书，值得收藏～7. 《信号完整性分析》『美』 Eric Bogatin著电子工业出版社个人书评:前几章用物理的方法看电子，感觉不好理解，写的感觉很拗口，翻译好像也有些不到位，但后面几章写的确实好，尤其是关于传输线的，对你理解信号的传输的实际过程，能建立一个很好的模型，推荐大家看一下，此书还是不错的.(看多了RF的，换换胃口)8. 《高速数字设计》『美』 Howard Johnson著电子工业出版社个人书评:刚刚卓越买回来，还没有动“她”呢，随便翻了下目录，做高速电路和PCB Layout的工程师一看要看下，这本书也是经典书喔～10.《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》『中』郑军奇著电子工业出版社个人书评:实战性和很强的一本书，本人做产品经常要送去信息产业部电子研究5所做EMC测试，认证.产品认证是产品成功的临门一脚，把这脚球踢好，老板会很赏识你的，如果你也负责产品的EMC，这本书必读。
电子电路——推荐书籍
1.《射频电路设计--理论与应用》『美』 Reinhold Ludwig 著电子工业出版社个人书评：射频经典著作，建议做RF的人手一本，里面内容比较全面，这本书要反复的看，每读一次都会更深一层理解.随便提一下，关于看射频书籍看不懂的地方怎么办？我提议先看枝干或结论有个大概印象，实在弄不明白就跳过（当然可问身边同事同学或GOOGLE一下），跳过不是不管它了，而是尽量先看完自己能看懂的，看第二遍的时候再重点抓第一次没有看懂的地方，人的思维是不断升华的，知识的也是一个系统体系，有关联的，当你把每一块砖弄明白了，就自然而然推测出金字塔塔顶是怎么架设出来的。
2. 《射频通信电路设计》『中』刘长军著科学技术出版社个人书评：有拼凑之嫌（大量引用书1和《微波晶体管放大电路分析与设计》内容），但还是有可取之处，加上作者的理解，比看外文书（或者翻译本）看起来要通俗易懂，毕竟是中国人口韵。
值得一看，书上有很多归纳性的经验.3．《高频电路设计与制作》『日』市川欲一著科学技术出版社个人书评：本人说实话比较喜欢日本人写书的风格和语言，及其通俗，配上图示，极其深奥的理论看起来明明朗朗，比那些从头到尾只会搬抄公式的某些教授强们多了，本书作者的实践之作，里面都是一些作者的设计作品和设计方法，推荐一看.4. 《LC滤波器设计与制作》『日』森荣二著科学技术出版社个人书评：语言及其通俗易懂，完全没有深奥的理论在里面，入门者看看不错，但是设计方法感觉有点落后，完全手工计算.也感觉内容的太细致，此书一般.5. 《振荡电路设计与应用》『日』稻叶宝著科学技术出版社个人书评：这边书还不错，除了学到振荡电路设计，还学到了很多模拟电路的基础应用，唯一缺点书中的内容涉及频率的都不够高（k级，几M,几十，几百M的振荡器），做有源电路的可以看一下,整体感觉还行.6. 《锁相环电路设计与应用》『日』远坂俊昭著科学技术出版社个人书评：对PLL原理总是搞不太明白的同学可以参考此书，图形图片很多，让人很直观明白，比起其他PLL书只会千篇一律写公式强千倍。
高速数字设计教程-Ch1_基本知识(2)
高速数字系统设计2006年2月22日第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3 时间与距离1-4 -3dB频率与上升时间1-5 集总系统与分布系统1-6 四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪21-2 频率与时间电路元件的参数是对频率敏感的，在不同的频率范围内会表现出来不同的特性。
任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。
某参数f中国科大快电子学安琪3几种无源元件的阻抗中国科大快电子学安琪4考虑两个极端情况：1. 一个频率为10-12的正弦波波形变化一个周期需要3万年。
若输入到TTL电路，其输出电压每天变化不到1µV。
任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告终。
在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。
2. 一个频率为1012的正弦波信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。
一些电路参数发生变化。
如地线的电阻由于趋肤效应由0.01Ω（1KHz）变为1Ω，并且还获得50Ω的感应电抗。
中国科大快电子学安琪5中国科大快电子学安琪6到底多高的频率会影响到高速数字电路的设计呢？要处理的高速数字信号的频带宽度是多少？中国科大快电子学安琪7频域'时域频域中的每个谐波分量都是时域中定义在t ＝－∞到＋∞上的正弦波。
将所有频率的正弦波在时域中的每个时间点上进行叠加，就可以得到时域中的波形。
任何一个时域的信号，都可以用一系列相应的正弦波叠加而成。
中国科大快电子学安琪8频域时域0次＋1次谐波0次＋1次＋3次谐波叠加比较：频域 时域叠加比较：随着参与叠加的谐波分量的增加，方波的顶端更平滑，上升时间更短，越接近理想方波。
对于实际的波形，包含的谐波分量越多，或者说信号带宽越高，信号的上升时间就越小。
带宽的概念本身是一个近似。
中国科大快电子学安琪9要解决的问题考虑信号带宽的定义，或者说找到一个谐波分量，其上更高的谐波分量对信号的近似的影响可以忽略。
信号完整性基本教材
信号完整性基本教材1 High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 1993-04-08High Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2003-02-28中文版：高速数字设计by Howard W. Johnson (Author)译者: 陈宏伟等电子工业出版社 2004.06版 353页2 High-Speed Digital System Design: A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices (Hardcover)2000-08-25中文版：高速数字系统设计(互连理论和设计实践手册)机械工业出版社by Stephen H. Hall (Author), Garrett W. Hall (Author), James A. McCall (Author) "The speed of light is just too slow..." (more) 译者：伍薇等3 Digital Signal Integrity: Modeling and Simulation with Interconnects and Packages (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Paperback) 2000-10-09by Brian Young (Author)4 High-Speed Circuit Board Signal Integrity (Artech House Microwave Library) (Hardcover) 2004-09-24by Stephen, C. Thierauf (Author) "This is a book about high-speed signaling on printed wiring boards (PWBs)..."5 Handbook of Digital Techniques for High-Speed Design: Design Examples, Signaling and Memory Technologies, Fiber Optics, Modeling, and Simulation to Ensure ... Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2004-05-24by Tom Granberg (Author)6 High-Speed Digital System Design (Synthesis Lectures on Digital Circuits and Systems) (Paperback) 2007-04-25by Justin Davis (Author)7 High-Speed VLSI Interconnections (Wiley Series in Microwave and Optical Engineering) (Hardcover) 2007-09-17by Ashok K. Goel (Author)8 Signal and Power Integrity in Digital Systems: TTL, CMOS, and BiCMOS (Hardcover) 1995-12-22by James E. Buchanan (Author), Bert D. Buchanan (Illustrator)9 Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2007-10-22by Greg Edlund (Author)10 Semiconductor Modeling: For Simulating Signal, Power, and ElectromagneticIntegrity (Hardcover) 2006-10-31by Roy G. Leventhal (Author), Lynne Green (Author), D.J. Carpenter (Cont ributor)11 Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits: Techniques for low emission and susceptibility (Hardcover)2005-09-09by Sonia Ben Dhia (Editor), Mohamed Ramdani (Editor), Etienne Sicard (Editor) 12 Synthesis of Power Distribution to Manage Signal Integrity in Mixed-Signal ICs (Hardcover) 1996-05-31by Balsha R. Stanisic (Author), Rob A. Rutenbar (Author), L. Richard Carley (Author) "The focus of this research is to generate analog power distribution for analog or mixed-signal ASICs..."13 Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2003-08-24中文版：信号完整性问题和印制电路板设计机械工业出版社by Douglas Brooks (Author)译者: 刘雷波等14 Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2007-11-27by Mike Peng Li (Author)15 Power Integrity Modeling and Design for Semiconductors and Systems (Prentice Hall Modern Semiconductor Design Series' Sub Series: PH Signal Integrity Library) (Hardcover) 2007-11-28by Madhavan Swaminathan (Author), Ege Engin (Author)16 Designing High-Speed Interconnect Circuits: An Introduction for Signal Integrity Engineers (Hardcover) 2004-08-01by Dennis Miller (Author)17 Emc & the Printed Circuit Board: Design, Theory, & Layout Made Simple (Hardcover) 1998-08-31by Mark I. Montrose (Author) "This book seeks primarily to help engineers minimize harmful interference between components, circuits, and systems..." 18 Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance: A Handbook for Designers (IEEE Press Series on Electronics Technology) (Hardcover) 2000-06-20by Mark I. Montrose (Author) "The following basic terms are used throughout this book..."19 Integrated Circuit Design for High-Speed Frequency Synthesis (Artech House Microwave Library) (Hardcover) 2006-01-31by John Rogers (Author), Calvin Plett (Author), Foster Dai (Author) "Over the past few decades, therehas been an incredible growth in the electronics industry..."20 High Speed Integrated Circuit Technology : Towards 100 GHZ Logic(Selected Topics in Electronics and Systems) (Selected Topics in Electronics and Systems) (Hardcover) 2001-04-24by Mark J. W. Rodwell (Editor) "Demand has been increasing for high-speed serial data link systems usinghigh-speed large-scale integrated circuits (LSIs) with speeds in the gigahertz range..."21 Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Designs (Hardcover) 2008-07-31by Stephen H. Hall (Author), Howard L. Heck (Author)。
高速电路设计1_信号完整性PDF课件--北京理工大学DSP课件一次性下载(高梅国教授)
BIT/TI
7
2、信号完整性
BIT/TI
8
3、传输线理论
• 传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，， 传输线的研究涉及很多复杂的理论。
• 在高速数字设计中只涉及到四种：同轴电缆、 双绞线、微带线和带状线
• 最重要参数：传输线的特性阻抗和信号在传输 线中的时延。
BIT/TI
14
3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
信号线(带状传输线)
平面层
h
ξr
Hale Waihona Puke t信号层平面层
Z0 =
60 ln 1.9h
ξr 0.8w + t
t pd = 85 ξ r
BIT/TI
15
3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析 – 对某参数： • 微带传输线 Z0 = 54Ω • 带状传输线 Z0 = 43Ω – 对于同样的电介质， • 微带传输线的传输速度要比带状传输 线的快 • 一般微带传输线的阻抗也比带状传输 线的高。
第四层，信号层，带状传输线 第五层，平面层 底层（第六层），信号层，微带传输线
BIT/TI
13
3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
t
h
ξr
信号线(微带传输线) 信号层
平面层
Z0 =
87 ln 5.98h
ξr + 1.41 0.8w + t
t pd = 85 0.475ξr + 0.67
BIT/TI
9
3、传输线理论
同轴电缆
外层介质 外层屏蔽 内层介质 内层导体
Ch1基本知识_1
高速数字系统设计2008年2月28日第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3时间与距离1-4集总系统与分布系统1-5-3dB频率与上升时间1-6四种电抗1-7高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪21-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）信号：“信号”是一个使用非常广泛的名词。
从信息论的观点出发，信号是信息的一种物理体现，或者说：信号是信息的载体。
广义而言：信号被定义为一个随时间（和位置）变化的物理量。
模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号的幅度值可以取连续范围的任意数值。
简单地讲：是指时间和幅度均是连续的物理量。
数字信号：在时间和幅度上都量化后取得的信号。
它是以某种时间间隔依次出现的数字序列。
简单地讲：是指时间和幅度均是离散的物理量。
A/D模拟信号数字信号D/A中国科大快电子学安琪3中国科大快电子学安琪4分析方法：时域和频域时域分析方法：用两维空间内的函数作为信号的数学模型，即时间变量t 和幅度变量f(t)（电压、电流或功率）。
X 轴是时间变量，Y轴是表示物理量的幅度变量。
t －f(t)时域是真实存在的域，是可以实际感知的域。
中国科大快电子学安琪5频域分析方法所谓的频域分析，仍然用两维空间内的函数作为模拟信号的数学模型，描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度。
采用频率变量（f ）代替时间变量（t ），幅度变量（电压、电流和功率: G(f)）是频率的函数。
X 轴是频率变量，Y 轴是表示物理量的幅度变量。
正弦波是频域中唯一存在的波形，其特征： 频率； 幅度；相位中国科大快电子学安琪6时域时域-频域的关系)(t f 频域dte tfg t j ωω－∫∞∞−=)()(傅立叶变换ωωωd e g t f t j ∫∞∞−=)()(傅立叶反变换)(ωg 从频谱分析的角度上看，时域中的任何信号, 都可以用若干个不同频率，不同幅度的正弦波信号叠加来表示。
高速数字设计和信号完整性--电源分布系统设计 ppt课件
ppt课件
17
电流回路（5）
信号环路面积增加，将产生额外的感抗，减慢信 号边沿速率，并在临近信号线上产生互感串扰。
图3中：
L5Dln(D) nH W
T1090L/R
2.2 L 2Z0
T r (T 1 0 9L 0/R)2(T 1 0 9) 02（长线）
Tr 3.4 LC（短线）
V crosstalk
ppt课件
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多层板的叠层实例
表面层A 电源层 信号层（X方向）
信号层（Y方向） 地层
电源层 信号层（X方向）
信号层（Y方向） 地层
表面层B
0.1mm 0.15mm
0.5mm
0.15mm 0.1mm 0.15mm
表面层A
电源层
信号层（X方向）
0.5mm
0.15mm 0.1mm
信号层（Y方向）
地层
表面层B
E2.6 （AILf
2）
μV/m
R
A — 环路面积，cm2 IL — 环路电流，A f — 频率，MHz R — 观测点到电场中心的距离，m
ppt课件
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电流回路（3）
参考平面的开槽
不适当的参考平面的开槽，将增加信号的环路面积。
D W
参考平面的开槽
ppt课件
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电流回路（4）
连接器的隔离盘
连接器在参考平面上不适当的隔离盘，将增加信号的 环路面积。
ppt课件
8
电源分布系统寄生电感
两条平行的电源和地圆导线
H
LPD S 1.0 1 6Xln2 D (H) nH
Ｘ — 电源分布线长度，in H — 电源分布线平均间距，in D — 电源分布线直径，in
电子工程师10本必读书
电子工程师10本必读书工程师，也要不断学习来掌握新的技能。
那电子工程书必读书有哪些呢?下面是店铺精心为你整理电子工程师10本必读书，一起来看看。
电子工程师10本必读书：嵌入式硬件系统作者：Jack Ganssle本书是《嵌入式硬件设计》一书的第二版，不仅为初学者提供了嵌入式设计的基本知识，也为高级系统设计者提供了有用的参考资料。
目前市面上可以看到相关书籍，不是专门探讨如何为特定微处理器编写程序，就是只强调嵌入式系统的设计原理而不提供任何实用信息，本书兼顾了这二者。
作者凭借其丰富的实践经验告诉读者，如何设计和构建全新的嵌入式设备与计算机化的小型设备，以及如何修改和扩充一个现有的系统。
电子工程师10本必读书：晶体管电路设计作者：铃木雅臣晶体管电路设计是“实用电子电路设计丛书”之一，共分上下二册。
晶体管电路设计》(上)作为上册主要内容有晶体管工作原理，放大电路的性能、设计与应用，射极跟随器的性能与应用电路，小型功率放大电路的设计与应用，功率放大器的设计与制作，共基极电路的性能、设计与应用，视频选择器的设计与制作，共射-共基电路的设计，负反馈放大电路的设计，直流稳定电源的设计与制作，差动放大电路的设计，运算放大电路的设计与制作。
下册则共分15章，主要介绍FET、功率MOS、开关电源电路等。
《晶体管电路设计》(上)面向实际需要，理论联系实际，通过大量具体的实验，通俗易懂地介绍晶体管电路设计的基础知识。
电子工程师10本必读书：精通开关电源设计作者：SanjayaManiktala《精通开关电源设计》基于作者多年从事开关电源设计的经验，从分析开关变换器最基本器件:电感的原理入手，由浅入深系统地论述了宽输入电压DC-DC变换器(含离线式正、反激电源)及其磁件设计、MOSFET导通和开关损耗、pcb布线技术、三种主要拓扑电压/电流模式下控制环稳定性以及开关电源电磁干扰(EMI)控制及测量的理论和实践等。
书中还解答了变换器拓扑的常见问题，讨论了开关电源及电子镇流器设计的专家意见、工业经验和难点对策等。
高速数字设计与信号完整性总论PPT课件
（skew）。 • 非理想因素会产生不必要的偏移，从而限制了
源同步总线频率。 • 源同步总线中飞行时间不再是相关因素。 • 保证锁存信号与数据信号的一致是比较好的，
这样会减少两者之间的偏移。
22
Noise
• 单个网络的信号质量 • 串扰 • 电地之间电压跌落 • 来自系统或元件的电磁干扰
这限制了共用时钟总线的工作频率
18
源同步
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Tsetup
T se m a tir u n ( g T c ps o t r T fo l stb t r T e d o ) e - ( b T c le a d o y a T ftl d a t) - a T ste atup
T vb T coda t(a T costr oT b dee)lay
4
电子产品的趋势
• 时钟频率 • 边沿速率 • 密度 • 电源 • 功耗 • 上市周期
5
每两年翻一番！！
时钟频率
晶体管特征尺寸的持 续减小，上升边必然 持续减小且时钟频率 必须持续提高
6
边沿速率
芯片制造厂总是采用更低成本，更好特性的生产过程，故生产出 来的芯片上升沿更短
7
高速概念
• 高速信号 频率大于50MHz 上升沿Tr< 6Tpd
• 高速设计
经验法则：对于上升沿为1ns的信号，PCB线长超过1inch，就必 须考虑传输线效应，采用高速设计理念
8
9
• 转折频率
信号带宽
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HW 工程师掌握高速设计的必要性
高速设计与硬件研发的每一个环节相关
• 系统工程师
高速数字系统中的信号完整性及实施方案
高速数字系统中的信号完整性及实施方案摘要：描述了高速数学电路中典型的信号完整性问题，分析了各种破坏信号完整性的原因及解决方案，并结合一个实际的高速DSP系统，阐述实现信号完整性的具体方法。
关键词：信号完整性端接DSP系统现在的高速数字系统的时钟频率可能高达数百兆Hz，其快斜率瞬变和极高的工作频率，以及很大的电路密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。
破坏了信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃。
因此，信号完整性问题已经越来越引起高速数字电路设计人员的关注。
1 信号完整性问题及其产生机理信号完整性SI（Signal Integrity）涉及传输线上的信号质量及信号定时的准确性。
在数字系统中对于逻辑1和0，总有其对应的参考电压，正如图1（a）中所示：高于ViH的电平是逻辑1，而低于ViL的电平视为逻辑0，图中阴景域则可视为不确定状态。
而由图1（b）可知，实际信号总是存在上冲、下冲和振铃，其振荡电平将很有可能落入阴影部分的不确定区。
信号的传输延迟会直接导致不准确的定时，如果定时不够恰当，则很有可能得到不准确的逻辑。
例如信号传输延迟太大，则很有可能在时钟的上升沿或下降沿处采不到准确的逻辑。
一般的数字芯片都要求数据必须在时钟触发沿的tsetup前即要稳定，才能保证逻辑的定时准确（见图1（c））。
对于一个实际的高速数字系统，信号由于受到电磁干扰等因素的影响，波形可能会比我们想象中的更加糟糕，因而对于tsetup的要求也更加苛刻，这时，信号完整性是硬件系统设计的一个至关重要的环节，必须加以认真对待。
一个数字系统能否正确工作其关键在于信号定时是否准确，信号定时与信号在传输线上的传输延迟和信号波形的损坏程序有关。
信号传输延迟和波形破损的原因复杂多样，但主要是以下三种原因破坏了信号完整性：（1）反射噪声其产生的原因是由于信号的传输线、过孔以及其它互连所造成的阻抗不连续。
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∆VOH=IOH×R
t
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输出管在工作区状态下的信号畸变
如果IC输出低电平电流太大，远大于器件手册给 出的值，输出三极管将退出饱和区，进入工作区， 使输出低电平抬高。 如果IC输出高电平电流太大，远大于器件手册给 出的值，输出三极管将退出饱和区，进入工作区， 使输出高电平降低。 V ∆VH 2.4 决定因素
IC功耗 IC密度 馈电方式 电源线的馈电电阻值 电源电流值 0.4
∆V地
∆VCC =∆I×∆R。
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t
信号线电阻的电压降——低电平
IC输出管脚经过印制导线或电缆连到另一IC的输 入脚，输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上 引起低电平的抬高，其值为 ∆VOL=IOL×R。 V 决定因素为
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研究领域
信号端接
reflection, ring, overshoot, undershoot
延迟控制
skew, propagation delay
串扰抑制
crosstalk
电源和地噪声抑制
ground bounce, simultaneous switching noise
高速数字设计和信号完整性分析
—— 导 论
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高速数字设计和SI分析导论
基本概念 研究领域 研究手段 研究目的 在产品开发中的应用 工程设计规范 理想的数字信号波形 数字信号的畸变
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2
基本概念
高速数字设计（High-Speed Digital Design）强调 被动元件的特性及其对电气性能的影响，包括导 线、印制电路板以及集成电路封装等等。 高速数字设计研究被动元件如何影响信号传输 （振铃和反射），信号之间的相互作用（串扰） 信号完整性（Signal Integrity，以下简称SI）是 指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号 完整性是指当在需要的时候具有所必需达到的电 压电平数值 信号完整性是保证系统稳定工作的基础
参与总体设计，明确系统设计目标 提出物理层的信号传输方案和组装方案 提出系统噪声分配方案 明确噪声抑制方案 辅助完成工程设计 解决调试中出现的有关问题
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工程设计规范——设计目标
在设计中保证 正确性 可靠性 可维性 可测性 可制造性
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地线电阻的电压降
系统中地线电阻会造成地电平的升高。 决定因素为
IC功耗 V IC密度 2.4 馈电方式 地线电阻（R） 馈电的地线总电流
∆V地= ∆I× ∆R
0.4
∆V地
t
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电源线电阻的电压降
如果系统中IC 的电源电压（如+3.3V）存在差值， 当其小于+3.3V时， 输出高电平将降低。 由于系统电源有集中电源和分散的电源模块之分， 此差值不同。 V ∆VCC 决定因素为 2.4
端接方式 端接电平 端接电阻阻值 导线宽度 导线厚度 导线长度 导线截面积
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2.4
∆VOL=IOL×R 0.4
t
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信号线电阻的电压降——高电平
IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一个IC的输 入脚，输出高电平电流在印制导线或电缆电阻上 引起高电平的降低，其值为∆VOH=IOH× R。 决定因素为 V
8
工程设计规范——基本内容
信号完整性设计目标——噪声分配方案 传输线设计 负载驱动规则 时钟的产生和传输 电源和地系统设计 受控阻抗连接器设计 逻辑级延的估算 印制板设计规则 热设计要求
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理想的数字信号波形
理想的数字信号是指器件厂家提供的 输出高电平VOH 输出低电平VOL 上升沿tr 下降沿tf 等参数所描述的信号波形
数字信号的畸变
IC在系统应用中不可能工作于理想的情况下。由 于受到多种因素的影响，信号波形会产生各种变 化。这些变化的程度必须严格加以限制，使之保 持在可以接受的范围内。 在设计过程中，有哪些因素会造成数字信号的畸 变，变化数值的确定，以及各个因素之间的关系 等都是设计人员关心的重点。
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串扰（Crosstalk）
由于系统组装密度越来越高，印制导线之间的距离越来越小。 当邻近导线上有高速转换的脉冲信号时，导线上的已有信号 将被附加一个较大的电磁藕合信号，即串扰信号。 接插件的信号针之间以及电缆的信号线之间也存在串扰现象 决定因素
tr、tf 线宽 线间距 线与介质的距离 介质的介电常数 平行线长 重叠线长
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10
理想的数字信号波形——TTL
理想的TTL（含LVTTL）数字信号波形 VOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VT=1.5V±30mV
V
2.4
1.5
பைடு நூலகம்
tr
tf
0.4
t
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理想的数字信号波形——CMOS
理想的CMOS数字信号波形 VOHmin=4.44V VOLmax=0.5V VT=2.5V（+5V） VOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VT=1.5V（+3.3V） V
V
2.4
0.4
t
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反射（Reflection）
如果IC之间的互连线比较长，信号线的特性阻抗 又不均匀；或者终端没有匹配，都会引起信号反 射。如果始端也不匹配，则会因多次反射而形成 振铃。 V
2.4
1.5
0.4
t
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端接方式 端接电阻阻值 输出管的饱和深度 输出管的β值
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∆VL 0.4
t
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转换噪声（SSN）
如果系统中的IC以较高频率工作，会造成供电系 统上有较高频率变化的电流尖峰。而供电的电源 线路和地线路都可看成是很小的电阻、电感和电 容元件，电流尖峰值太大，在它们上面会产生较 大的交流尖峰电压。 电源上的尖峰电压会干扰到输出高电平上，而地 电平上的尖峰电压会干扰到输出低电平上。 IC内部同样存在这种尖峰电压。
数字电路在具有逻辑功能的同时，也具有丰富的模拟特性 数字电路本身具有一定的抗干扰能力，设计工程师可以
估算或精确测定各种噪声的幅度及其时域变化 将电路抗干扰能力精确分配给各种噪声 控制总噪声不超过电路的抗干扰能力
以最小的综合成本达到最高的整体性能
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在产品开发中的应用
4.44
2.5
tr
tf
0.5
t
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理想的数字信号波形——ECL
理想的ECL数字信号波形 VOHmin=-0.96V VOLmax=-1.65V VBB=-1.29V±30mV t
-0.95 -1.29 -1.65
tr
tf
V
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边沿畸变
如果信号频率升高到一定程度，同时印制导线又 较长或者负载电容较大时，信号的上升时间有可 能等于或大于脉冲宽度，信号波形将会畸变到没 有高低电平平顶或者远离平顶。 决定因素 V
导线宽度 导线长度 导线与介质距离 介质介电常数 负载数 工作频率（脉宽） tr
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1.5
0.4
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高速数字PCB设计
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研究手段
物理实验验证 数学模型计算 软件模拟分析 经验规则估算 通常需要综合运用上述四种方法。
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研究目的
在中、大规模电子系统的设计中，系统地运用信号完整性 技术可以带来许多益处
降低产品成本 缩短研发周期，降低开发成本 提高产品性能 提高产品可靠性
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总结
介于数字技术和模拟技术之间的一门学科 一个确定的、可预测的和可观测的研究领域 重要意义
提高系统性能 提高产品可靠性 降低成本
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谢 谢