信号完整性-7-8特性阻抗PPT课件

高速电路与系统互连设计中
信号完整性(SI)分析
(之7~8[七]：传输线模型、时延、阻 抗与返回路径)
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
.
1
7.0 引言
信号完整性分析是基于传输线理论的。要从认识传输线
开始！
这里所说的三种阻抗是万变不离其宗，仍然是阻抗的基
本定义。只不过将传输线始端的输入阻抗(简称为阻抗)；
――提示 如果传输线是均匀的或者是可控阻抗的，那么反射就会减小，信号的质
量就会更优。所有的高速互连线都必须设计成均匀传输线。
――整条导线中，若几何结构或材料属性发生变化，传输线
是不均匀的。如两条导线的间距变化，那它就是非均匀传输
线。双列直插封装(DIP)或扁平封装(QFP)中的一对引脚就是
非均匀传输线，接插件的相邻线条通常也是非均匀传输线，
.
5
信号完整性的许多问题，都是返回路径设计不当产生 的。要认真设计信号之外其他路径的几何形状。
当把其他某一路径称作地时，我们通常将它看成是所 有电流的汇合处。返回电流流进这里，又从这里流向其他 接地处。这是一种完全错误的观点。
返回电流是要紧靠信号电流。高频时信号路径和返回 路径的回路电感要最小化。只要情况允许，返回路径会尽 量靠近信号路径。
将信号随时遇到的及时阻抗成为瞬态阻抗。如果在信号前
进的过程中，传输线的横截面，包括信号路径与返回路径
的几何结构都不变，则称其为特性阻抗。
传输线到底是什么？同轴电缆是一种传输线，多层板中
的PCB线条也是一种传输线。
.
2
提示 传输线由两条有一定长度的导线组成。
―图7.1给出传输线，把一条称为信号路径，另一条称为返 回路径。
coplanar ──共面线
microstrip── 微带线
embedded microstrip ──嵌入微带线
stripline──带状线
asymmetric stripline ──非对称带状线
图7.4 互连中常用的各种均匀传输线横截面举例
.
12
均匀传输线也称为可控阻抗传输线,如:双引线、微带线、 带状线和共面线。
.
4
7.1 滥用“地”和“接地”
以往，我们总是将传输线的返回路径简单地当作地线。
――提示 将第二条线当作地，所引出的问题要比解决的问题多得多。相反，使
用返回路径这一术语是一个良好的习惯。
――在信号完整性的设计过程中，造成问题的一种常见现 象就是滥用“地”这一名词。我们应当习惯于把其他导体 看作是返回路径，这样做非常有益。
.
6
GROUND ──地
图7.2 不要再使用“地”这个词，可避免许多问题
返回路径有时是个电压平面，如Vcc或Vdd平面；有时是 一个低电压平面。在原理图设计中，它被标记为接地。
参见图7.2，从现在起要将其称作返回路径，将来会免 除很多问题。
.
7
7.2 信号
在确定信号与互连线间的相互作用时，两导线同等重 要。
(注：反射比较简单，主要是阻抗匹配问题；EMI与微波领域关系太深。我们的切 入点无疑是串扰和地弹，其焦点是SSN)。
无论传输线是均匀的还是非均匀，是对称的还是非对称， 它只有一个功能：在额定的失真限度下，把信号从一端传 输到另一端。
.
15
7.4 铜中电子的速度
实际上，铜导线中的电子速度比信号的速度要低100亿倍。 导线中电子的速度与信号的速度没有任何关系。 如图 7.5 所示，根据每秒钟通过横截面的电子数、导线 中的电子密度和导线的横截面积就可以计算出导线中电子 的速度。导线中的电流为：
PCB板上的线条如果没有返回路径平面很可能也是非均匀传
输线。非均匀传输线除非走线足够短，否则就会引起信号完
完整性优化设计的目标：将所有互连线都设计成均匀传输线，减小所有 非均匀传输线的长度(例如设计USB接口时出现过此类现象)。
另一个几何参数是两条导线的相似程度。如果两导线的 形状和大小都一样，称为对称传输线。双绞线是一种对称传 输线。共面线在同一层并列的两条线，也是对称传输线。
当两条线是一样时，如双绞线，信号路径与返回路径 没有严格的区分。可以指定任意一条为信号路径，而另一 条为返回路径。
如果两条导线不相同，如微带线，我们通常把较窄的 那条叫做信号路径，而把平面称为返回路径。
.
8
信号接入传输线后，以材料中光速在导线中传输。在信 号加入到传输线片刻之后，姑且暂时把时间停滞，沿着传 输线测量信号大小。信号总是指信号路径和返回路径之间 相邻两点的电压差，如图 7.3 所示。
同轴电缆是非对称传输线，因为它的中心导线要比外面 的导线小。
微带线也是一种非对称传输线，因为两条导线的宽度不 一样，一条比较窄，另一条比较宽。
同理，带状线也是非对称传输线。
.
14
提示 一般来说，绝大多数传输线本身的对称与否对信号的反射失真和串扰效应 都不会造成什么影响。然而，返回路径的具体结构将严重影响地弹和电磁干扰问题
.
10
7.3 均匀传输线
按传输线的几何结构来对传输线分类。 几何结构中两个基本特征是：导线沿线横截面的均匀程 度和两导线的相似/对称程度。 如果导线上任何一处的横截面相同，如同轴电缆，称这 种传输线为均匀传输线。 图7.4给出了各种均匀传输线。
.
11
twisted pair ──双绞线
coax──同轴电缆
signal path ──信号路径
return path ── 返回路径
Length ── 长度
图7.1 传输线由任意两条有一定长度的导线组成。其中一条标记
为信号路径，另一个为返回路径
.
3
一种错误观点：线阻抗怎么是50Ω？是并联还是串联？ 传输线是一种新的理想电路元件。两个非常重要的特征： 特性阻抗和时延，最关心的是信号与传输线的相互作用。 理想传输线的电气特性在某些情况下是可以用 L-C 组合 来近似的。但是，与 L-C 近似相比，理想传输线模型(彻底 的分布式)的性能与实际互连线的实测性能更加吻合；模型的 带宽也更高。将理想传输线这一电路元件添加到工具箱中， 明显增强对信号与互连线相互作用的表达能力。
signal path──信号路径 return path──返回路径
图 7.3 某一时刻信号波形,信号指信号线和返回线两点间的电压
.
9
提示 如果知道信号感受到的阻抗，根据信号大小就可以计算出电流。从这个 意义上讲，信号可以被定义成电压或电流。
这些普遍的原则适用于所有的传输线，无论是单端传输 线的还是差分传输线。