于博士信号完整性分析入门(修改)
电源完整性分析(于争博士)
![电源完整性分析(于争博士)](https://img.taocdn.com/s3/m/0e24fc6258fafab069dc0243.png)
电源完整性设计作者:于博士一、为什么要重视电源噪声芯片内部有成千上万个晶体管,这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。
随着芯片的集成度越来越高,内部晶体管数量越来越大。
芯片的外部引脚数量有限,为每一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。
芯片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的供电节点,因此内部晶体管状态的转换必然引起电源噪声在芯片内部的传递。
对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步,但是由于内部延时的差别,各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的,当某些晶体管已经完成了状态转换,另一些晶体管可能仍处于转换过程中。
芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其他门电路的输入部分。
如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域,那么电源噪声可能会被放大,并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰,进而引起电路的逻辑错误。
芯片外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播,还可能会触发内部寄存器产生状态转换。
除了对芯片本身工作状态产生影响外,电源噪声还会对其他部分产生影响。
比如电源噪声会影响晶振、PLL、DLL的抖动特性,AD转换电路的转换精度等。
解释这些问题需要非常长的篇幅,本文不做进一步介绍,我会在后续文章中详细讲解。
由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性,如果是由于电源系统产生的问题,电路将非常难调试,因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则,使电源系统更加稳健。
二、电源系统噪声余量分析绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围,这个值通常是±5%。
例如:对于3.3V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在3.13V到3.47V之间,或3.3V±165mV。
对于1.2V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在1.14V到1.26V之间,或1.2V±60mV。
这些限制可以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。
信号完整性分析PPT课件
![信号完整性分析PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/97931216f46527d3240ce0e6.png)
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SI简介
• 学习SI的目的 a.什么是典型的信号完整性问题? b.这些问题来自哪里? c.为什么有必要去理解SI问题? d.如何去分析和解决SI问题? e.如何去做SI测试?
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• SI的内容 SI简介
信号完整性它包含两方面的内容,一是 独立信号的质量,另一个是时序。我们 在电子设计的过程中不得不考虑两个问 题:信号有没有按时到达目的地?信号 达到目的地后它的质量如何?所以我们 做信号完整性分析的目的就是确认高频 数字传输的可靠性。
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SI简介
• 数据采样及时序例子
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SI简介
• 数据采样及时序例子 从这个图里面我们可以清楚地看到数据 必须准时到达逻辑门而且在接收端期间 开始锁存前必须确定它们的逻辑状态。 任何数据的延迟或者失真都会导致数据 传输的失败。失败有两种可能:一个是 因为接收端根本就无法识别数据;另一 个是接收端虽然识别了数据,但数据因 为失真而导致错误。
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SI简介
• SI的重要性
随着高频数字电路的不断发展,SI问题变得越来越引 人注目,数字电路的频率越高,出现SI问题的可能性 就越大,对设计工程师来说,他的挑战也就越大。很 多SI问题实际上都是自然界中的电磁现象,所以SI问 题跟EMI/EMC是息息相关的。
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SI简介
• 理想逻辑电压波形
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SI简介
信号完整性分析培训课件
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当电路中的信号能够以正确的时序、持续的时间 和电压的幅度进行传送,并到达输出端时,说明 该电路具有良好的信号完整性;而当信号不能正 常响应,就出现了信号完整性问题。精文档信号完整性分析概念
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。
印制电路板层的参数、信号线的距离、驱动端和接 收端的电器特性,以及信号线的端接收方式等,都 对串扰有一定的影响。
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常见的信号完整性问题
3、反射(Reflection)
反射就是传输线上的回波。信号功率的一部分经传输线 传给负载,另一部分则向源端反射。在高速设计中,可 以把导线等效为传输线,而不再是集总参数电路中的导 线。如果阻抗匹配(源端阻抗、传输线阻抗和负载阻抗 等),则反射不会发生;反之,若负载阻抗与传输线阻 抗失配就会导致接收端反射。
高速电路设计的重点将与低速电路设计时截然不同, 不再仅仅是元件的合理放置与导线的正确连接,还 应该对信号的完整性(Signal Integrity,SI)问题给与 充分的考虑。
否则,即使原理图正确,系统可能也无法正常工作。
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信号完整性分析概述
信号完整性分析是重要的高速PCB板极 和系统极分析和设计的手段,在硬件电路设 计中发挥着越来越重要的作用。Protel 99SE 提供了具有较强功能的信号完整性分析器, 以及实用的SI专用工具,使Protel 99SE用户 在软件上就能模拟出整个电路板各个网络的 工作情况,同时还提供了多种补偿方案,帮 助用户进一步优化自己的电路设计。
在高频电路设计中,信号的传输延时是一个完全无法避 免的问题。为此引入了一个延迟容限的概念,即在保证 电路能够正常工作的前提下,所允许的信号最大时序变 化量。
信号完整性分析笔记(全)
![信号完整性分析笔记(全)](https://img.taocdn.com/s3/m/348f90e6856a561252d36fb2.png)
在AD出Gerber的时候,在layer选项下有2个栏,Layer to Plots和Mechanical layers to Add to All Plot. 一般情况下Mechanical layers to Add to All Plot.可以不予理会,此处的意思表示需要添加到任何层面的mechanical layers出Gerber的时候,如果没有删除room,有时会提示The film is too small for this PCB.因为room 会在角落离开PCB很远,但是gerber需要包含room的信息,如果gerber时候设置的film 的大小比较小,就会有这个问题。
如果有些object实在无法寻找,而需要的object比较好选择,可以ctrl+A,然后deselect需要的object,直接del即可将无法找寻的objectdel掉用PCB Inspector批量修改pad的soldermask expansion的时候,必须先勾选soldermask override,表示可以自定义soldermask expansion在Altium Designer里面设置内层pad和via的连接的时候,需要将pad设置为thermal,而via不需要,在设置all pad thermal connect以后,需要再add一个all direct connect的rule,优先级设置低于all pad thermal connect..否则所有的via将不会被连接到内层的plane低阻抗PDS的设计要点使GND与VCC尽量靠近 / 低电感值的去耦电容 / 封装assign多个寄生电感低的VCC与GND Via/常见的电磁干扰源差分信号转化为公模信号,在外部双绞线缆上输出PCB地弹在外部单端屏蔽线上产生公模电流。
附加的噪声可以由内部产生的辐射泄露溢出屏蔽罩引起做PCB NPTH的时候,可以在mechaincal 1层做一个NPTH,选中,Tool -> Convert -> Creat Board Cutout from Select Primitives可以在PCB上做一个针对所有层的Routing Keepout(not all electronical layer),首先在mechaincal 1 layer上做一个primitive,选中,Tool -> Convert -> Creat Cutout from Select Primitives在allegro中,框选一个封闭的line,可以compose 以line为外框的shape。
信号完整性分析(于博士信号完整性研究网).doc
![信号完整性分析(于博士信号完整性研究网).doc](https://img.taocdn.com/s3/m/936b273231126edb6f1a1066.png)
1.信号完整性:PCB走线中途容性负载反射很多时候,PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,必然对信号造成影响。
走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析,对起点和终点都有影响。
首先按看一下对信号发射端的影响。
当一个快速上升的阶跃信号到达电容时,电容快速充电,充电电流和信号电压上升快慢有关,充电电流公式为:I=C*dV/dt。
电容量越大,充电电流越大,信号上升时间越快,dt越小,同样使充电电流越大。
我们知道,信号的反射与信号感受到的阻抗变化有关,因此为了分析,我们看一下,电容引起的阻抗变化。
在电容开始充电的初期,阻抗表示为:这里dV实际上是阶跃信号电压变化,dt为信号上升时间,电容阻抗公式变为:从这个公式中,我们可以得到一个很重要的信息,当阶跃信号施加到电容两端的初期,电容的阻抗与信号上升时间和本身的电容量有关。
通常在电容充电初期,阻抗很小,小于走线的特性阻抗。
信号在电容处发生负反射,这个负电压信号和原信号叠加,使得发射端的信号产生下冲,引起发射端信号的非单调性。
对于接收端,信号到达接收端后,发生正反射,反射回来的信号到达电容位置,那个样发生负反射,反射回接收端的负反射电压同样使接收端信号产生下冲。
转载请注明出处:。
为了使反射噪声小于电压摆幅的5%(这种情况对信号影响可以容忍),阻抗变化必须小于10%。
那么电容阻抗应该控制在多少?电容的阻抗表现为一个并联阻抗,我们可以用并联阻抗公式和反射系数公式来确定它的范围。
对于这种并联阻抗,我们希望电容阻抗越大越好。
假设电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k 倍,根据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为:阻抗变化率为:,即,也就是说,根据这种理想的计算,电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。
实际上,随着电容的充电,电容的阻抗不断增加,并不是一直保持最低阻抗,另外,每一个器件还会有寄生电感,使阻抗增加。
因此这个9倍限制可以放宽。
信号完整性分析基础知识
![信号完整性分析基础知识](https://img.taocdn.com/s3/m/768dddcdb9f3f90f76c61ba0.png)
摘要如果您刚刚接触信号完整性分析,或者需要温习这方面的基础知识,那么本白皮书将是您的最佳选择。
在介绍基础知识之前,本白皮书首先回答一个最基本的问题“我需要了解哪些信息”?在基础知识部分,我们首先学习关键网络的识别和分析。
接着讨论传输线,以及因快速边缘率信号所产生的高频噪声引起的各种问题。
最后,我们将了解阻抗的概念,并在阻抗和信号完整性的背景下展开讨论。
现在,让我们从零开始学习信号完整性基础知识。
在开始任何类型的仿真或分析之前,您必须做好哪些准备工作,了解哪些信息呢?您的设计中可能包含成千上万个网络,需要全部进行仿真吗?恐怕不是—您没有足够的时间完成这项工作,事实上也完全没有必要。
因此,您要做的第一件事是确定您的关注对象—设计中究竟哪些是“关键”网络,如何识别这些“关键”网络?关键网络乍一看,“什么是关键网络”,答案似乎并不复杂。
我听到过各种各样的答案,譬如“时钟网络”、“高频网络”、“所有网络都很关键”、“频率超过100 MHz 的网络”,诸如此类,不胜枚举。
这些回答固然有一定的可取之处,但数字印刷电路板有一项您必须考虑的标志性网络特征,即边缘率和走线长度之间的关系。
些网络可能导致信号完整性 (SI) 或电磁干扰(EMI) 方面的问题时,您需要了解开关信号的速度,以确定是否需要首先关注该网络。
当今的硅工艺已纵深扩展至次微米空间,器件的物理特性决定了信号的边缘率越来越快。
归根到底,这意味着您的设计中可能存在问题的网络数量将远远超出您最初的设想。
因此,我们需要一些标准来识别关键网络。
那么,我们应该在哪里寻找这些信息来判断我们的分析对象呢?数据表提供了最快捷的器件管脚特性参考资料。
您可以在这些文档中找到电压摆幅、转换速率/开关时间、输入阻抗以及其他大量信息。
然后,您需要将这些开关数据与走线长度进行比较,确定是否存在问题。
这听起来有些复杂,甚至可能相当繁琐(如果必须手动完成此工作,的确如此)。
这时,您需要使用工具来提供帮助。
高速信号与信号完整性分解
![高速信号与信号完整性分解](https://img.taocdn.com/s3/m/3813df10844769eae009edd8.png)
什么是高速数字信号?高速数字信号由信号的边沿速度决定,一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号,而高频信号是针对信号频率而言的。
高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。
错误的概念是:8KHz帧信号为低速信号。
多高的频率才算高速信号?当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号.对于数字电路,关键是看信号的边沿陡峭程度,即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小于6倍导线延时,就是高速信号!即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。
信号完整性研究:什么是信号完整性?时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击: 1813次信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量,当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时,该电路就有很好的信号完整性。
当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时,就出现了信号完整性问题,信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。
一般认为,当系统工作在50MHz时,就会产生信号完整性问题,而随着系统和器件频率的不断攀升,信号完整性的问题也就愈发突出。
元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不能正常工作。
1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)?信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。
信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
常见信号完整性问题及解决方法:问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰(crosstalk)?串扰(crosstalk)是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
图讲信号完整性
![图讲信号完整性](https://img.taocdn.com/s3/m/55147e4f336c1eb91a375d71.png)
信号完整性基础信号完整性问题过冲(overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰(ISI)同步开关噪声(SSN)噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性(Signal Integrity)主要包括以下几方面问题:1.过冲(Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。
因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通,通常电流有100mA左右。
信号长期的过冲会使IC器件降质,并是电源噪声和EMI的来源之一。
2. 振铃(Ringing/Ring Back)振铃会使信号的threshold域值模糊,而且容易引起EMI。
3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性,这有可能对电路有危害,特别是针对异步信号如:Reset、Clock等会有影响。
4. 码间串扰(ISI)主要是针对高速串行信号。
其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态,另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。
一般通过眼图来观察,方法是输入一伪随机码,观察输出眼图。
5. 同步开关噪声(SSN)同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V,另外还会影响输入电平的判断。
SSN的另一种现象是SSO(同步开关输出),这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。
6. 噪声裕量(Noise Margin)控制噪声余量的目的是防止外界干扰,用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。
一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。
7. 串扰(Crosstalk)串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰(常见于数模混合电路)三种形式。
通常示波器所观察到的数字信号。
图中为各相关的信号完整性参数:•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。
•Ringback 指信号的振铃。
信号完整性分析讲稿2讲
![信号完整性分析讲稿2讲](https://img.taocdn.com/s3/m/69024ff558fb770bf68a551b.png)
更容易发生信号完整性问题。
第2章 时域与频域
2.2 频域中的正弦波 频域不是真实的,而是一个数学构造; 正弦波是频域中惟一存在的波形; 小波是另一种域; 正弦波有四个性质; 其它标准正交函数也有这四个性质; 为什么用正弦波作为频域中的函数?
第2章 时域与频域
2.1时域
时域是真实世界、是惟一实际存在的域; 时钟波形的两个重要参数:时钟周期和上升时间(见图2.1); 时钟周期Tclock是时钟循环一次的时间间隔,用ns度量; 时钟频率Fclock是1秒钟内时钟循环的次数,是时钟周期Tclock的
倒数; 上升时间是10~90上升时间,指信号从终值的10%跳变到90%
BW 0.35 RT
第2章 时域与频域
2.11 “有效的”含义 带宽定义为有效的最高正弦波频率分量. 若谐波次数的幅度高于理想方波中相同谐波
幅度的70%以上,则该谐波次数称之为有效的 频率分量. 图2-12的最高有效谐波次数是5次谐波.
第2章 时域与频域
2.12 实际信号的带宽 振铃 当波形中出现振铃时,其带宽约等于振铃频率. 信号采用尽可能低的带宽.
第2章 时域与频域
2.3 频域中解决问题的捷径
同一波形的时域或频域描述所含的信息完全相同; 描述带宽更容易——带宽是频域中的概念; 阻抗在时域和频域中均有定义,在频域更快地得到答案; 在频域考虑电源和地分布的阻抗,对轨道塌陷提供更简单的解决
方法; 处理EMI时,FCC指标以及产品EMC的测量在频域更容易; 许多仿真在频域中进行; 在频域使用的仪器的信噪比高.
第2章 时域与频域
信号完整性分析
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信号完整性:信号反射作者:于博士信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。
对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。
如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。
那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值。
反射系数定义为:。
其中:为变化前的阻抗,为变化后的阻抗。
假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆,传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不考虑寄生电容电感的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系数为:,信号有1/3被反射回源端。
如果传输信号的电压是3.3V电压,反射电压就是1.1V。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础,阻性负载的变化无非是以下四种情况:阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗突然变为0)。
阻抗增加有限值:反射电压上面的例子已经计算过了。
这时,信号反射点处就会有两个电压成分,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V。
阻抗减小有限值:仍按上面的例子,PCB线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧姆,则反射系数为,反射系数为负值,说明反射电压为负电压,值为。
此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475V。
开路:开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。
即反射电压3.3V。
反射点处电压为6.6V。
可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了。
短路:短路时阻抗为0,电压一定为0。
按公式计算反射系数为-1,说明反射电压为-3.3V,因此反射点电压为0。
计算非常简单,重要的是必须知道,由于反射现象的存在,信号传播路径中阻抗发生变化的点,其电压不再是原来传输的电压。
学习入门-学习入门-Altium-Designer第10章-信号完整性分析优选全文
![学习入门-学习入门-Altium-Designer第10章-信号完整性分析优选全文](https://img.taocdn.com/s3/m/a7b00b1c68eae009581b6bd97f1922791788be49.png)
1.互阻抗模型 PCB上两根走线之间的互阻抗模型如图10.1.3所示。
图10.1.3 PCB上两根走线之间的互阻抗模型
2. 电容耦合产生的串扰(容性串扰)
所有两相邻导线之间都存在电容。当在一条线(攻击线或主
动线)加上一个脉冲信号(vs)时,脉冲信号会通过电容Cm
向另一条线(受害线或被动线)耦合一个窄脉冲。也就是两
上升时间,用tr表
示。
图10.1.1 非理想的脉冲(数字)信号波形
2. 带宽(频宽)
对于高速数字电路,决定其所需之带宽(频宽)的是时钟脉冲信
号上升时间tr,而不是时钟脉冲信号的频率。对于频率相同的时 钟信号,如果它们的上升时间tr不同,所需电路的带宽(频宽)
也是不同的[24]。
带宽(频宽)与信号的上升时间tr有关。一个有价值的经验法则 ,信号的带宽(频宽)与上升时间tr的关系[51]可以用下式表示:
信号的传播速度Vp与材料的介电常数εr之间的关系如下所示:
(10.1.3)
式中:C为光速(3×108m/s);εr为材料的介电常数。
10.1.3 反射
1. 反射的产生 反射(Reflection)就是传输线上的回波,信号功率的一部分
经传输线传给负载,另一部分则向源端反射。 信号沿传输线传播时,如果阻抗匹配(源端阻抗、传输线阻
SI、PI和EMI设计紧密关联,而PDN(Power Distribution Network,电源分配网络)是 SI、PI和EMI的公共基础互连,相 互关系[22,25]如图10.1.6所示。而SI、PI和EMI协同设计是高速数字 系统设计的唯一有效途径。
图10.1.6 SI、PI和EMI与PDN的相互关系
EMI到达EMI接收器的路径。
信号完整性揭秘:于博士SI设计手记
![信号完整性揭秘:于博士SI设计手记](https://img.taocdn.com/s3/m/8457b7af988fcc22bcd126fff705cc1755275feb.png)
电源完整性是信号完整性的重要组成部分。本书最后介绍了电源完整性的基 础知识,包括电源分配网络的设计、电源噪声的来源和抑制方法等。这些知识将 帮助读者在解决电源问题时更加得心应手。
通过对于博士SI设计手记的深入剖析,我们可以看到,《信号完整性揭秘: 于博士SI设计手记》不仅提供了丰富的理论知识,还通过实例和设计指南帮助读 者更好地理解和应用这些知识。这本书无疑为电子工程领域的专业人员提供了一 本宝贵的参考书籍,无论是在学术研究还是在工程实践中,都将发挥重要的作用。 这本书也适合作为本科生和研究生的教材或参考书籍,帮助他们在学习过程中掌 握信号完整性的关键知识。
“信号完整性设计就像是侦探破案,我们需要收集线索,分析证据,然后找 出问题的真正原因。在这个过程中,我们需要有敏锐的观察力和扎实的专业知 识。”
“电子系统的设计是一个不断迭代和优化的过程。只有经过反复的实验和验 证,我们才能找到最佳的设计方案。”
这些摘录不仅展示了于博士对于信号完整性设计的深入理解,也为我们提供 了一种全新的视角来看待电子系统设计中的问题。这本书不仅适合电子设计工程 师阅读,也适合于对电子系统设计感兴趣的读者。通过这本书,我们可以更深入 地理解信号完整性的重要性以及如何解决信号完整性问题的过程。
本书接着探讨了信号完整性问题及其对系统性能的影响。反射、串扰、地弹 等问题是信号完整性的主要挑战。通过实例和理论分析,本书帮助读者理解这些 问题产生的原因和解决方法。还讨论了这些问题对系统性能的影响,包括可能导 致的数据错误和系统故障。
在高速串行互连设计中,需要了解许多复杂的知识,包括S参数、差分互连、 阻抗不连续性、抖动、均衡等。本书深入浅出地解释了这些复杂的概念,并提供 了实用的设计指南。还通过实例说明了这些知识在实际设计中的应用。
信号完整性2 -- 于博士
![信号完整性2 -- 于博士](https://img.taocdn.com/s3/m/2c99a6e4b8f67c1cfad6b87a.png)
信号完整性B001:走线的参考平面在哪?时间:2013.08.09 浏览次数:3038很多人对于PCB走线的参考平面感到迷惑,经常有人问:对于内层走线,如果走线一侧是VCC,另一侧是GND,那么哪个是参考平面?要弄清楚这个问题,必须对了解传输线的概念。
我们知道,必须使用传输线来分析PCB上的信号传输,才能解释高速电路中出现的各种现象。
最简单的传输线包括两个基本要素:信号路径、参考路径(也称为返回路径)。
信号在传输线上是以电磁波的形式传输的,传输线的两个基本要素构成了电磁波传输的物理环境。
从电磁波传输的角度来讲,信号路径和参考路径一道构成了一个特殊物理结构,电磁波在这个结构中传输。
从电流回路角度来讲,信号路径承载信号电流,参考路径承载返回电流,因此参考路径也称为返回路径。
对于PCB上的表层走线,走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。
这里,走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓,VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮,都可以构成这样的电磁波传输环境,关键在于下面的平面是导体,这就够了。
信号路径是表层走线,所以下面的平面就是参考路径。
对于PCB上这一特殊结构,参考路径是以平面的形式出现的,所以也叫参考平面。
从电流回路的角度来说,参考平面承载着信号的返回电流,所以也叫返回平面。
下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。
这里参考平面的作用应该很清楚了:作为电磁波传输物理环境的一部分(从电磁波传输角度)、作为电流返回路径(从电流回路角度)。
如果搞懂了上面的逻辑,那么内层走线的参考平面在哪就很清楚了,走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境,所以上下两个平面都是信号的参考路径,也就是参考平面,从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。
从构成电流回路的角度来看,下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分布,如果两个平面和走线之间的间距近似相等,那么两个平面上的返回电流也近似相等,此时,两个平面同样重要。
《信号完整性揭秘:于博士SI设计手记》随笔
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《信号完整性揭秘:于博士SI设计手记》读书随笔目录一、内容综述 (1)1.1 书籍简介 (2)1.2 作者介绍 (2)二、信号完整性概述 (3)2.1 信号完整性的定义 (5)2.2 信号完整性在电子系统中的重要性 (6)三、信号完整性分析方法 (7)3.1 仿真分析 (8)3.2 实测分析 (9)四、于博士SI设计手记 (10)4.1 设计流程与关键点 (12)4.2 常见问题的解决策略 (14)五、信号完整性实践经验分享 (15)5.1 电源完整性设计 (16)5.2 时序完整性设计 (17)六、总结与展望 (18)一、内容综述《信号完整性揭秘:于博士SI设计手记》主要围绕信号完整性(Signal Integrity)设计这一主题展开。
这本书是于博士多年在信号完整性设计领域的经验总结,详细阐述了信号完整性设计的基本原理、实际应用和面临的挑战。
阅读这本书的过程中,我深受启发,对于信号完整性的理解有了更深入的认识。
书中首先介绍了信号完整性的基本概念和重要性,在现代电子系统中,信号完整性是保证系统性能稳定的关键因素之一。
随着电子设备的日益复杂和集成度的不断提高,信号完整性问题变得越来越突出。
于博士通过生动的语言和丰富的实例,解释了信号完整性的基本原理和相关的技术术语。
书中详细介绍了信号完整性设计的流程和要点,于博士从电路设计、布局布线、元件选择等方面入手,详细阐述了如何在实际设计中应用信号完整性原理。
他还介绍了信号完整性的测试和分析方法,以及如何识别和解决信号完整性问题。
这些内容对于从事电子系统设计工作的工程师来说,具有重要的指导意义。
书中还涉及了一些高级话题,如高速电路的信号完整性设计挑战、新技术在信号完整性领域的应用等。
这些内容为读者提供了更广阔的视野,有助于了解信号完整性领域的最新进展和发展趋势。
《信号完整性揭秘:于博士SI设计手记》是一本深入浅出、内容丰富的书籍。
通过阅读这本书,我不仅了解了信号完整性的基本原理和实际应用,还学到了很多实用的设计方法和技巧。
第9章-信号完整性分析
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清华大学出版社
2019/4/8
9.4.1 信号完整性规则设置
•在PCB编辑环境下进行信号完整性规则的设置 在PCB编辑环境下,执行菜单命令【设计】/【规则】, 弹出【PCB规则和约束编辑器】对话框,并从该对话框中打 开【Signal Intergity】选项,如图9-13所示。在该【 Signal Intergity】选项中用户可以选择设置信号完整分 析所需要的规则。
图9-13 【PCB规则和约束编辑器】对话框
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在系统默认状态下,信号完整性分析规则没有定义。 当需要进行信号完整性分析时,可以将光标移到【 Signal Intergity】选项中的某一项上,单击鼠标右键 ,弹出快捷菜单,如图9-14所示,选中【新建规则】命 令,即可建立一个新的分析规则。然后双击建立的分析 规则,即可进入规则设计对话框。
本实例要求对“C:\Program Files Altium2004\Examples\Reference Design\4 Port Serial Interface\4 Port SerialInterface.PPJPCB” 添加信号完整性模型。
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9.4 信号完整性分析设定
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9.2 信号完整性分析注意事项
为了得到精确的分析结果,在进行信号完整性分析 前,需要注意以下几点: 设计文件 集成电路 电源网络 设定激励源 层堆栈设置正确 每个元器件的信号完整性模型必须正确。
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第9章 信号完整性分析
9.1
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高速信号与信号完整性讲解
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什么是高速数字信号?高速数字信号由信号的边沿速度决定,一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号,而高频信号是针对信号频率而言的。
高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。
错误的概念是:8KHz帧信号为低速信号。
多高的频率才算高速信号?当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号.对于数字电路,关键是看信号的边沿陡峭程度,即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小于6倍导线延时,就是高速信号!即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。
信号完整性研究:什么是信号完整性?时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击: 1813次信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量,当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时,该电路就有很好的信号完整性。
当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时,就出现了信号完整性问题,信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。
一般认为,当系统工作在50MHz时,就会产生信号完整性问题,而随着系统和器件频率的不断攀升,信号完整性的问题也就愈发突出。
元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不能正常工作。
1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)?信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。
信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
常见信号完整性问题及解决方法:问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰(crosstalk)?串扰(crosstalk)是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
电源完整性---于博士
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电源完整性设计作者:于博士一、为什么要重视电源噪声芯片内部有成千上万个晶体管,这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。
随着芯片的集成度越来越高,内部晶体管数量越来越大。
芯片的外部引脚数量有限,为每一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。
芯片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的供电节点,因此内部晶体管状态的转换必然引起电源噪声在芯片内部的传递。
对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步,但是由于内部延时的差别,各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的,当某些晶体管已经完成了状态转换,另一些晶体管可能仍处于转换过程中。
芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其他门电路的输入部分。
如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域,那么电源噪声可能会被放大,并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰,进而引起电路的逻辑错误。
芯片外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播,还可能会触发内部寄存器产生状态转换。
除了对芯片本身工作状态产生影响外,电源噪声还会对其他部分产生影响。
比如电源噪声会影响晶振、PLL、DLL的抖动特性,AD转换电路的转换精度等。
解释这些问题需要非常长的篇幅,本文不做进一步介绍,我会在后续文章中详细讲解。
由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性,如果是由于电源系统产生的问题,电路将非常难调试,因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则,使电源系统更加稳健。
二、电源系统噪声余量分析绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围,这个值通常是±5%。
例如:对于3.3V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在3.13V到3.47V之间,或3.3V±165mV。
对于1.2V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在1.14V到1.26V之间,或1.2V±60mV。
这些限制可以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。
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于博士信号完整性分析入门于争 博士for more information,please refer to 电设计网欢迎您什么是信号完整性?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:图1显示了信号反射引起的波形畸变。
看起来就像振铃,拿出你制作的电路板,测一测各种信号,比如时钟输出或是高速数据线输出,看看是不是存在这种波形。
如果有,那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了,对,这就是一种信号完整性问题。
很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻,至于为什么,他们中很多人都说不清楚,他们会说,很多成熟设计上都有,照着做的。
或许你知道,可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用,包括很多有了三四年经验的硬件工程师,很惊讶么?可这确实是事实,我碰到过很多。
其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。
而且随着电阻的加大,振铃会消失,但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。
这个解决方法叫阻抗匹配,奥,对了,一定要注意阻抗匹配,阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的地位。
串扰:如果足够细心你会发现,有时对于某根信号线,从功能上来说并没有输出信号,但测量时,会有幅度很小的规则波形,就像有信号输出。
这时你测量一下与它邻近的信号线,看看是不是有某种相似的规律!对,如果两根信号线靠的很近的话,通常会的。
这就是串扰。
当然,被串扰影响的信号线上的波形不一定和邻近信号波形相似,也不一定有明显的规律,更多的是表现为噪声形式。
串扰在当今的高密度电路板中一直是个让人头疼的问题,由于布线空间小,信号必然靠得很近,因此你比须面对它,只能控制但无法消除。
对于受到串扰的信号线,邻近信号的干扰对他来说就相当于噪声。
串扰大小和电路板上的很多因素有关,并不是仅仅因为两根信号线间的距离。
当然,距离最容易控制,也是最常用的解决串扰的方法,但不是唯一方法。
这也是很多工程师容易误解的地方。
更深入的讨论,我会在后续文章中陆续推出,如果你感兴趣,可以常来于博士信号完整性研究网,关注博士讲坛栏目。
轨道塌陷:噪声不仅存在于信号网络中,电源分配系统也存在。
我们知道,电源和地之间电流流经路径上不可避免存在阻抗,除非你能让电路板上的所有东西都变成超导体。
那么,当电流变化时,不可避免产生压降,因此,真正送到芯片电源管脚上的电压会减小,有时减小得很厉害,就像电压突然产生了塌陷,这就是轨道塌陷。
轨道塌陷有时会产生致命的问题,很可能影响你的电路板的功能。
高性能处理器集成的门数越来越多,开关速度也越来越快,在更短的时间内消耗更多的开关电流,可以容忍的噪声变得越来越小。
但同时控制噪声越来越难,因为高性能处理器对电源系统的苛刻要求,构建更低阻抗的电源分配系统变得越来越困难。
你可能注意到了,又是阻抗,理解阻抗是理解信号完整性问题的关键。
信号完整性问题涉及面比较广,这里只是简单介绍几种现象,希望这篇文章能让你对信号完整性有个初步的认识。
信号完整性,将是每个硬件工程师的必修课。
早一天接触,早一天受益。
何时会遇到信号完整性问题多年前,在我开始研究信号完整性问题时也曾经有过这样的疑问,随着对信号完整性理解的深入,便没有再仔细考虑。
后来在产品开发过程中,朋友、同事经常向我提出这一问题。
有些公司制作复杂电路板时,硬件总也调不通,于是找到我,当我解决了问题,并告诉他们,原因就在于没有处理好信号完整性设计,负责开发的硬件工程师也会提出同样的问题。
他们通常的说法是:高速电路中会有问题,可是什么情况下必须进行专门的信号完整性设计?不断的有人问我,我不得不作更深入的思考。
说实话,这个问题很难回答,或者说他们这种问法很难回答。
他们的意思可以解释为,速度高了就要考虑信号完整性,低速板不存在这个问题,那总要有个临界频率,这个频率是多少?有人曾提出过这样的论点,当外部总线频率超过80MHz时,就要进行专门的分析设计,低于这一频率,不用考虑信号完整性问题。
对这一论点,我不敢苟同。
仔细分析,他们这种问法的背后是对信号完整性的一种误解。
如果必须有一个答案的话,我想答案应该是:只要信号畸变到了无法容忍的程度就要考虑信号完整性问题。
呵呵,听起来像是在胡说八道,不过这确实是能找到的最好的答案了。
要想弄清这个问题,必须先了解信号完整性的实质到底是什么。
产生信号完整性的原因很多,频率(值得推敲,暂且借用提问者的说法)只不过是其中的一个而已,怎么能单单用频率来强行地划分界线!顺便说一句,很多人说频率的影响,其实这个词很值得推敲:频率到底指的是哪个部分的频率?电路板上有主时钟频率,芯片内部主频,外部总线带宽,数字信号波形带宽,电磁辐射频率,影响信号完整性的频率到底指的是哪一个?问题根源在于信号上升时间。
如果你不是很理解,可以到于博士信号完整性研究网学习。
信号完整性最原始的含义应该是:信号是否能保持其应该具有的波形。
很多因素都会导致信号波形的畸变,如果畸变较小,对于电路板不会产生影响,可是如果畸变很大,就可能影响电路的功能。
系统频率(芯片内部主频以及外部频率)、电磁干扰、电源波纹噪声,数字器件开关噪声、系统热噪声等都会对信号产生影响,频率并不具有特殊的地位,你不能把所有的注意力都放在频率这个因素上。
那么这里又会出现另一个问题,波形畸变多大,会对电路板功能产生影响。
这没有确定统一的指标,和具体应用以及电路板的其他电气指标有关。
对于数字信号而言,对畸变的容忍度较大。
能有多大的容忍度,还要考虑电路板上的电源系统供电电压波纹有多大,系统的噪声余量有多大,所用器件对于信号建立时间和保持时间的要求是多少等等。
对于模拟信号,相对比较敏感,容忍度较小,至于能容忍多大的畸变,和系统噪声,器件非线性特性,电源质量等等有关。
是不是听起来很晦涩?确实,要说清楚这个问题并不容易,因为牵扯到了太多的因素在内。
下面这个数字信号波形的例子能让你有一个简单直观的理解。
这是一个受反射影响的方波数字信号,波形的畸变仅仅是反射的结果,没有迭加其他噪声。
假设低电平逻辑小于0.7v,高电平大于2v。
对于高电平来说,震荡的低谷部分可能会冲到2v以下,此时电路处于不定态,可能引起电路误动作。
所以,迭加在高电平上的波纹幅度不能太大。
由于电路存在噪声,电源也有波纹,这些最终都会迭加到信号波形上,所以你计算波纹幅度的时候要考虑这些因素,而这些因素和你的电路板其他部分设计有关。
所以你无法确定一个统一的畸变标准,只能根据你具体电路的设计和应用综合考虑。
最终的原则只有一个:通过信号完整性设计、电源完整完整性设计等手段,将总的信号畸变控制在一定范围内,保证电路板正常稳定工作。
工程中,解决信号完整性的问题是一个系统的工程,并不是一两种方法就可以包打天下的。
什么时候会碰到信号完整性问题也不是可以硬性的划一道线来区分,一句话,要根据你的实际情况来定。
可能你会感觉,这么多不确定的因素,还怎么在最初设计的时候考虑信号完整性问题?嗯,没问题的,其实对于所有影响信号质量的因素,你都可以通过一定的设计技术来控制。
对于电源波纹问题,那是电源完整性的问题,又是一个系统的工程。
而其他的电磁干扰,电磁兼容等则是另外一个系统工程。
总之,信号完整性问题涉及的知识较多,是一个跨学科的知识体系。
网上关于信号完整性基础知识讲解很多,但很少有讲得很深入的。
要想学好信号完整性,你需要有一定的精力投入,但可以告诉你,只要掌握学习方法,其实不难。
一旦你学好它,回报是非常高的,毕竟这方面的人才现在是奇缺,很多公司给信号完整性工程师开价都在25W以上,如果你很牛的话,呵呵,决不是这个价。
好了,废话就不多说了。
对于信号完整性技术问题,我会在于博士信号完整性研究网的博士讲坛栏目进行深入探讨。
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,你必须对它足够重视。
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,上一代产品的设计方案在这一代产品中可能已经不适用了。
信号上升时间的减小,从频谱分析的角度来说,相当于信号带宽的增加,也就是信号中有更多的高频分量,正是这些高频分量使得设计变得更加困难。
互连线必须作为传输线来对待,从而产生了很多以前没有的问题。
因此,学习信号完整性,你必须有这样的概念:信号陡峭的上升沿,是产生信号完整性问题的罪魁祸首。
信号上升时间与带宽在前文中我提到过,要重视信号上升时间,很多信号完整性问题都是由信号上升时间短引起的。