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信号完整性上岗培训教材

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。

信号完整性分析培训课件

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具体来说,是指信号在电路中以正确的时序和电 压做出响应能力。
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。

信号完整性基础培训课件

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为分析为了保证输出信号的上升沿不明显退化时的有耗传输线长度,所采用50欧姆传输线 ,传输线的长度所采用4inch,8inch,12inch,16inch,输入信号采用80ps,仿真出接收端的波形。
4inch,106ps 8inch, 169ps 12inch,252ps 16inch,348ps
无损耗传输线
➢时域和频域的概念
时域:时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如一个信号的时域波形可以表达信号随 着时间的变化。时域是真实世界,是惟一实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验 证的,已经习惯于事件按时间的先后顺序地发生。而评估数字产品的性能时,通常在时域中进行 分析,因为产品的性能最终就是在时域中测量的。
用阻抗描述信号完整性:
➢任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真,这使信号质量会出现问题。 ➢信号的串扰是由两条相邻信号线条(包括其返回路径)之间的电场和磁场的耦合引起的, 信号线间的互
耦电容和互耦电感产生的阻抗决定了耦合电流的值。 ➢电源轨道塌陷实际上与电流分布系统(PDS)的阻抗有关。系统中必然流动着一定的电流 量以供给所有的芯片,并且由于在电源和地之间存在着阻抗,所以当芯片电流切换时,就会 形成压降。这个压降意味着电流轨道和地轨道从正常值下塌陷。 ➢最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流,此地平面上返回路径的阻抗越大,电压降即 地弹就越大,
➢ 通道中的损耗 通道上的每一个节点都会造成损耗,损耗受控是一个真正的挑战。
介质损耗 导体损耗 趋肤效应
1.介质损耗的斜率比导体损耗大 2. 当5Ghz之后介质损耗将占据主导 3. 应对趋肤效应将导致成本急剧上升
w精ww品.fopupndte模rpc板 What is 城市轨道交通 urban rail transport

《信号完整性培训》课件

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信号完整性仿真软件介绍
仿真软件的种类与功能
单击添加标题
信号完整性仿真软件:用于 模拟信号在电路中的传输和 干扰情况,评估信号完整性
单击添加标题
功能:提供信号完整性分析、 优化和验证功能,帮助设计 者优化电路设计,提高信号
传输质量
单击添加标题
仿真软件种类:包括 Cadence、Mentor、
Synopsys等
信号完整性的评估通常包括 信号的幅度、相位、抖动、
噪声等方面的测量。
信号完整性对于电子系统的 性能和可靠性至关重要。
信号完整性的重要性
确保信号传输的准确性和可靠性
降低电磁干扰和噪声
添加标题
添加标题
提高系统稳定性和性能
添加标题
添加标题
提高产品竞争力和品牌价值
信号完整性的影响因素
信号频率:频率 越高,信号完整 性越差
信号串扰的影响:信号串扰会导致信号 误码率增加、信号传输质量下降等问题
信号反射与串扰的解决方法:通过优化 信号传输路径、增加信号隔离度、使用 屏蔽材料等方式进行解决
信号的时序与抖动
时序:信号在时间上的顺序和规律 抖动:信号在传输过程中的不稳定性 抖动类型:随机抖动、确定性抖动、数据相关抖动 抖动影响:可能导致信号失真、传输错误、系统不稳定等
信号幅度:幅度 越大,信号完整 性越差
信号传输路径: 路径越长,信号 完整性越差
信号传输介质:介 质的阻抗、容抗、 感抗等参数会影响 信号完整性
信号完整性的基础理论
信号的传输方式
串行传输:数据按 顺序传输,速度快, 但容易受到干扰
并行传输:数据同 时传输,速度快, 但需要更多的硬件 资源
模拟传输:数据以 模拟信号的形式传 输,抗干扰能力强 ,但传输距离有限

信号与信号完整性SignalIn...

信号与信号完整性SignalIn...

高速数字系统设计2006年3月10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21-7高速数字系统中的电阻、电容和电感元件1. 电阻元件2. 电容元件3. 电感元件中国科大快电子学安琪3中国科大快电子学安琪4电阻元件电阻器的直流等效电路R c R oR c R i 1R i 2R c R o R cR i 电阻器是由一些电阻、电感和电容分量构成的复杂阻抗系统,其电参数是频率的函数。

电阻器电阻体的电阻R o 。

电阻器电阻体与引出线之间的接触电阻。

绝缘基体的分路电阻R i 1和保护层的分路电阻R i 2 为了简化电路,可用一个绝缘分路电阻R i 代替两个电阻R i 1和R i 2 总的等效电阻为:iC R R R R //20+=中国科大快电子学安琪5电阻器的交流等效电路电阻器的交流等效电路R L CL j C j R Z ωω+=1//R C高阻值电阻器等效C j R Z ω1//=R L低阻值电阻器等效Lj R Z ω+= 非线绕电阻器中国科大快电子学安琪6Cj L j R Z ωω1//)(+= 线绕电阻器R LCRC R L -=τ时间常数:时间常数τ越小越好。

电阻器的主要种类薄膜电阻器金属膜电阻金属氧化膜电阻碳膜电阻合金型电阻器线绕电阻器块合金型电阻器表贴电阻器中国科大快电子学安琪7电阻器分类特性中国科大快电子学安琪8电阻排分类特性中国科大快电子学安琪9中国科大快电子学安琪10电阻器的主要参数电阻器的阻值:频率和温度的函数电阻温度系数:温度每变化1度时阻值的相对变化。

其中:R 1和R 2分别为温度t 1和t 2的阻值。

电阻器的噪声热噪声:白噪声。

电阻器的额定功率f KTR e T ∆=42dt dR R 1=τα)/1(1012121C t t R R R c −−⋅=αK: 波尔兹曼常数T: 热力学温度中国科大快电子学安琪11电阻器的选用使用金属膜或氧化膜电阻,绝对不用线绕电阻。

信号完整性系列讲座之一:电感讲解

信号完整性系列讲座之一:电感讲解

趋肤效应
高频时,信号只在导体的表面很薄的一层 流动。
趋肤效应引起:电流流过的横截面积很薄, 所以导线阻抗变大。信号频率越高,在导 线上传输时,衰减越大。
颜色越淡,电流密度越大
10 信号路径
信号存在于一个回路中。信号传输路径由 信号路径和返回路径构成。
下图中的GND、VCC_5V都可以是返回路径
路为基础,研究数字电路的模拟特性。主要包含 两个方面:信号的幅度(电压)和信号时序。
与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源:

1、单一网络的信号质量

2、多网络间的串扰
3、电源与地分配中的轨道塌陷
4、来自整个系统的电磁干扰和辐射
4.本讲座讨论范围
本讲座主要讲解了:影响信号完整性的一 个因素—电感以及与信号完整性有关的理 论知识、在电路板设计中需要注意的事项
电流的周围。对于1段直导线,如图所示:
若导线中电流流过,那么在导线周围将产 生同心的环形磁力线圈。自上而下,导线 周围都存在磁力线圈。距离电流表面越远, 所遇到的磁力线圈数就越少。如果距离电 流表面足够远,则磁力线圈数将非常少。
(2)如何衡量磁力线圈的多少
以韦伯为单位来计算电流周围的磁力线圈 匝数。
该信号是怎么产生的?
2.研究信号完整性的意义
若在电路板设计时不考虑信号完整性的影 响,逻辑功能正确的电路在调试时往往会 无法正常工作 。
为了电路能够正常工作,在电路设计过程 中需要掌握信号完整性的知识指导电路设 计。
3.信号完整性的研究范围
目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电
(3)影响磁力线圈匝数的多少有哪 些因素?
因素有很多。主要: 1.导体电流的大小。电流增大一倍,电流周围磁

《信号完整性培训》课件

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解决方法
通过在传输线的末端添加 终端电阻来匹配阻抗,消 除反射。
信号串扰
信号串扰定义
当信号在传输线中传播时 ,会受到相邻信号线的干 扰,产生串扰。
串扰产生的影响
串扰会导致信号质量下降 、误码率增加,严重时会 导致通信失败。
解决方法
通过合理布线、增加线间 距、使用屏蔽线等措施来 减小串扰。
信号时序
加强信号完整性测试和测量技 术的研究,提高测试精度和效
率。
探索新的信号完整性设计方法 和优化技术,提高设计效率和
可靠性。
加强信号完整性与其他领域的 交叉研究,如通信、控制、人 工智能等,开拓新的应用领域

THANKS
感谢观看
02
它涉及到信号在电路中传输时所 受到的各种影响,如噪声、干扰 、衰减、延迟等。
信号完整性的重要性
保证电路的正常工作
信号完整性的好坏直接影响到电路的 正常工作,如果信号在传输过程中出 现失真或畸变,可能会导致电路工作 异常或出现故障。
提高系统性能
降低系统成本
避免因信号问题导致的系统故障和维 修成本,从而降低整个系统的成本。
合理选择传输线
根据信号类型和传输速率,选择合适的传输 线类型和规格。
使用适当的端接方式
根据传输线的类型和长度,选择合适的端接 方式,如串联端接、并联端接等。
优化布线策略
通过合理的布线,减少信号延迟和反射,提 高信号质量。
抑制电磁干扰
通过增加屏蔽、使用滤波器等手段,降低电 磁干扰对信号的影响。
设计实例分享
示波器和逻辑分析仪
用于捕获和观察信号波形,分析信号的时序和幅度。
网络分析仪和频谱分析仪
用于测量信号的频率响应和传输特性。

信号完整性基础培训课程

信号完整性基础培训课程

1. 信号完整性基础知识
➢ 时序
通常高速电路设计人员常说“时序就是一切”。在复杂电路设计中,经常会有贯穿整个 电路的总线信号。在某些情况下,要求这些信号必须完全一致。
采样时间
采样时间
a
b
图1-1电路可以容许微小的时序偏差如果时序偏差太大,将产生采样错误
多种原因都可以导致信号时序的不一致。器件本身就可以导致这一点。信号穿过某个器件时,有一个最快
时间。每个器件的时间参数都不相同,而信号传播时要在电路上穿过多个器件。走线本身也会有传播延时。 但是,在电路和系统中,对于某个特定的时间和位置,要求信号必须一致。电路板设计者通过走线的长度来 控制信号的时序。通过增加走线的长度,可以增加走线的传播时间。如果我们需要某段走线有一个固定的延 时,可以通过调整走线长度来实现。
由它再激起辐射电流。减少电缆电磁干扰的最常用的方法是在电缆周围使用铁氧体扼流圈, 这主要是为了增大共模电流所受到的阻抗,从而减少共模电流。
1. 信号完整性基础知识
1.1.4.1 传输线的阻抗 Vsignal
信号路径
Vsignal
返回路径
U0
U
建立的电场E
高频回流方向
位移电流 建立的磁场H
图中微带线电流分布。两线间距分别为5mil 、15mil。图中明亮的颜色表示较高的电流 密度,右图为Ansys公司的Anosft Q2D仿真得到
V 方波
上升时间(tr)
正弦波
时间
周期 频率和上升时间
一个信号周期的时间长度是1/f,其中f是频率。所以频率为1MHz(每秒1百万周期)的 正弦波的周期是百万分之一秒,即1us或者10000ns。这个正弦波的上升时间大约是周期 的1/3,即大约是333ns。

信号完整性分析教程signal_Integrity

信号完整性分析教程signal_Integrity

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信号完整性分析定义
信号完整性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。具体主要包括 串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。
反射(reflection)
反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反 射回来一样,就是信号在传输线上的回波现象。在高速的PCB中导线必 须等效为传输线,按照传输线理论,如果源端与负载端具有相同的阻抗, 反射就不会发生了。如果反射信号很强,叠加在原信号上,很可能改变 逻辑状态,导致接收数据错误。一般布线的几何形状、不正确的线端接、 布线策略、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类 反射。
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串扰分析
串扰是由电磁耦合形成的,耦合分为容性耦合和感性耦合两种。容性耦 合是由于干扰源(Aggressor)上的电压变化在被干扰对象(Victim)上引 起感应电流从而导致的电磁干扰,而感性耦合则是由于干扰源上的电流变化 产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。因此,信号 在通过一导体时会在相邻的导体上引起两类不同的噪声信号:容性耦合信号 与感性耦合信号。
过冲(overshoot)和下冲(undershoot)
过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号 跳变,也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指 下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地 失效,严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。 它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。
7
传输线理论
1.什么时候必须作为传输线考虑? 简单的说,传输线是由两条有一定长度的导线组成。如信号在走线上的传 输时间大于电平跳变上升/下降时间的一半,则该走线判定为传输线。 2.传输线的定义 传输线由两个具有一定长度的导体组成,一个导体用来发送信号,另一个 用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。 3.传输线模型 传输线模型段由串联电阻和电感、并联电容组成 。

信号完整性分析讲稿2讲

信号完整性分析讲稿2讲
所经历的时间。 或信号从终值的20%跳变到80%所经历的时间。 通常CMOS的下降时间比上升时间短,因此从高电平到低电平
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

第二讲——信号完整性

第二讲——信号完整性
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。
信号完整性问题(续1)
通常示波器所观察到的数字信号。
信号完整性问题(续2)
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。 • Plateau指信号在上升过程中的平台。 • NMH指逻辑为高信号的噪声余量。 • NML指逻辑为低信号的噪声余量。
4. 数字方波的频谱 数字方波信号的分析最起码要达到5倍f0(f0为方波的基频)。
高速数字电路的特征(续1)
图中演示的是信号的上升时间以及信号沿传输线由输出端到输入端的 传输延迟距离。
高速数字电路的特征(续2)
图中的公式为方波的傅立叶展开,其中T为方波信号的周期,t 为方波 信号的上升/下降时间,TW为方波信号的脉宽。 一般来说如果分析到10 f0,那么傅立叶拟合就比较接近真实情况。
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。
信号主要分为一下几类: 1. 单端信号
单端信号包括 TTL、 CMOS、 SSTL、 GTL等。单端信号比较通用, 且实现成本低。 2. 差分信号 差分信号包括 PECL、 ECL、 LVDS、 CML等。差分信号高速性能 好,电流也比较小。 由于电源层可以滤波和地层不可以滤波,单端信号中的同步开关噪 声的地电流形成地弹电压无法避免;而差分信号对同步开关噪声不 敏感。 3. 一次开关(Incident Switching) 即第一波就超过阈值。 4. 反射开关(Reflected Switching) 第一波不能超过阈值,靠反射超过阈值。

信号完整性分析培训课件

信号完整性分析培训课件
具体来说,是指信号在电路中以正确的时序和电 压做出响应能力。
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。
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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。
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信号完整性分析规则设置
1、激励信号规则(Signal Stimulus)规则
设置激励信号的种类,包括3种选项:“Constant Level”表示激励信号 为某个常数电平;“Single Pulse”表示激励信号为单脉冲信号; “Periodic Pulse”表示激励信号为周期性脉冲信号
设置激励信号高电平 脉宽的起始时间
信号定时与信号在传输线上的传输延迟,以及信 号波形的损坏程度都有密切关系。
差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而 是由板极设计中的多种因素共同引起的。
仿真证实,集成电路的切换速度过高,端接元件 的布设不正确,电路的互连不合理等,都会引发 信号完整性问题。
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பைடு நூலகம்
常见的信号完整性问题
Protel 99SE提供了一个高级的信号完整性分析器。 它能精确地模拟分析已步好线的PCB,可以测试 网络阻抗、下冲、过冲和信号斜率。
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信号完整性分析器
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信号完整性分析规则设置
5、信号下冲的上升沿(Undershoot-Rising Edge)规则:信号 下冲的上升沿与信号下冲的下降沿是相对应的。它定义了信 号上升边沿允许的最大下冲值,也即信号上升沿上低于信号 上位置的阻尼振荡,系统默认单位是伏特。
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信号完整性分析规则设置

信号完整性(SI)分析1-2演示幻灯片

信号完整性(SI)分析1-2演示幻灯片
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SI的四种分析、描述手段和途径
• 经验法则; • 解析近似; • 数值仿真 (有场和路两种途径); • 实际测量。
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SI仿真用软件
• SPICE(侧重IC的仿真程序) • Mentor公司:Hyperlynx • Candence公司:SigXP(SigXplorer) • Ansoft: HFSS(高频结构仿真器)、SI2D • Agilent公司:ADS
分析信号完整性分为时域和频域两种途径和手段。 时域(time domain)是对一个信号波形进行的示波器观察,它 通常用于找出管脚到管脚的时延、错位、过冲、下冲以及建立时 间。 频域(frequency domain)是对一个信号波形进行的频谱分析 仪观察,它通常用于波形与 FCC 以及其它 EMI 控制限制之间的比 较。一个生动的例子就是收音机——你在时域中收听它,但是为 了找到喜欢的电台位置你却需要在频域内搜寻。
31
研究中有两种主要的技术工具:分析型和描述表征型。 分析型指的是计算推理工具;表征型指的是测量工具。
分析工具强调推理,又进一步分为三类:经验法则、解 析近似和数值仿真。它们的准确度和难度各不相同。每一 个都很有用,适用于不同场合。
经验法则很实用,例如简单地认为“线段单位长度的自 感是 1nH/mm” ,可能对进一步的概念推理既直观又快捷。
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0.6 信号完整性测量技术
测量工具也可以分为三类测量仪器:阻抗分析仪;矢量网络 分析仪(VNA)以及时域反射计(TDR)。
阻抗分析仪测量电压/电流比=阻抗。频率从 100Hz 到 40MHz。 有四个接头,一对接头产生流过被测器件(DUT)的正弦波电流, 第二对接头测量被测器件(DUT)的正弦电压。
信号完整性(SI),是指信号电压(电流)完美的波形形状及 质量。由于物理互连造成的干扰和噪声,使得连线上信号的波 形外观变差,出现了非正常形状的变形,称为信号完整性被破 坏。信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结果。

【精品课件】信号完整性培训

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所以说,差分信号传输电路 是解决公共通道噪声电压的很 好的方法。
系统有一个低阻抗的地平面板连 接着各个器件的接地点,该地平面板 为所有的回流电流提供了低电感通道。 符合基本设计原则1。
系统有一个低阻抗的电源板连接着 各个器件的电源连接点,提供了低噪 声公共通道。符合基本设计原则2。
最后一个基本设计原则显然是符 合的。旁路电容构成了低阻抗的通道。
图6-1-5 双层PCB板的电源与地系统
图6-1-2 公共通道噪声电压
基本设计原则1
公共通道噪声电压的大小由返回信号电流和地线阻抗的乘 积决定。所以电源和地系统设计的基本原则1可以表述为:
为了减少公共通道噪声电压,应当在任何逻辑门电路的接 地点之间保持低阻抗连接。
基本设计原则2
公共通道噪声的产生是与互感耦合相关的,实现低阻抗接地的一个很有效的方法是 在印刷电路板设计中采用地平面板。但是,单独的低电感地平面板并不能完全解决公共 通道噪声的问题。像图6-1-3中的电路,即使各个逻辑门之间是完美的低阻抗连接,在电 源线上的公共通道电感仍然会引起麻烦。逻辑门的高电平与其相连的电源电压相关,电 源电压的任何变化,都会直接影响到逻辑门的输出电压。
公共通道噪声电压
噪声电压N基本上是与高速信号的回流电流相关。只要逻辑门A输出一个信号到逻 辑门C,到达逻辑门C的信号电流必然要通过某个路径返回到逻辑门A,一般来说是通 过地线系统返回。若地线系统存在着电感,则高速信号就会在电感上产生感应信号, 即:噪声。不仅是逻辑门A和C,其他任何逻辑产生的回流电流,若回流通道与逻辑门 A和C的地线重合,也会对它们产生影响。这个噪声被称为“公共通道噪声电压” (Common-Path Noise Voltage)。如图6-1-2所示。
例1:双层PCB板的电源与地系统

信号完整性分析讲稿1.1讲

信号完整性分析讲稿1.1讲

信号完整性分析方法
第1章 信号完整性分析概论
1.1 信号完整性的含义 1.2 单一网络的信号质量 1.3 串扰 1.4 轨道塌陷噪声 1.5 电磁干扰(EMI) 1.6 信号完整性的两个推论 1.7 电子产品的趋势 1.8 新设计方法学的必要性
1.9 一种新的产品设计方法学 1.10 仿真 1.11 模型与建模 1.12 通过计算创建电路模型 1.13 三种测量技术 1.14 测量的作用 1.15 小结
更严重。 2. 解决信号完整性的有效办法很大程度上基
于对互连线阻抗的理解。
1.7 电子产品的趋势 大约每2年时钟频率就能提高一倍(图1.13). Intel处理器时钟频率发展趋势(图1.14).
10-90上升边 20-80上升边 在高速数字系统中,分配的上升边大约为时
钟周期的10%
第1章 信号完整性分析概论
所有与信号完整性噪声问题有关的效应都应与下 面四类特定噪声源中的一个: 1.单一网络的信号完整性; 2.两个或多个网络间的串扰; 3.电源和地分配中的轨道塌陷(旁路和去耦); 4.来自整个系统的电磁干扰和辐射.
第1章 信号完整性分析概论
• 1.2 单一网络的信号质量: 在信号路径或返回路径上由于阻抗突变而引起的反射与失真.
1.8 新设计方法学的必要性 信号完整性问题可以阻碍高速数字产品的正确操作; 这些问题由较短的上升边和较高的时钟频率直接引
起; 上升边将不可避免地继续变短,时钟频率将继续提
高; 低速系统也会有上升边非常短的芯片; 产品必须首件成功。
1.9 一种新的产品设计方法学 理解信号完整性问题 转换成具体的设计规则 早期就进行仿真,以便预测产品的性能 通过建模和仿真来优化设计性能 在整个设计周期中进行特征参数化测量

信号完整性

信号完整性

一.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(TransmissionLine):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(DistributedSystem):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。

信号完整性培训2

信号完整性培训2

f(t)可以理解为直流c0加上各次nω1谐波分量,每个分量 幅度为 cn an2 bn2 ;初相为φn。 从而,傅里叶级数(FS)给出时域f(t)的频域展开式——
f (t ) cn cos n1t n
n 0

(★)
11
(3) DFT──长度为N离散序列f(n)正反变换为
24
图2.9 将图2,8放大。 对于1GHz理想方波,依次叠加各次谐波生成的 时域波形:首先是0次谐波和1次谐波,再加上3次谐波,7次谐波,第19 次谐波,最后一直加到第31次谐波
25
2.6 理想方波作基准的一般信号带宽
一般信号的最高有效分量是指——有某个频率点, 高于这点的信号谐波分量幅度比理想方波中相应频率 的幅度小到某种程度,例如常用的 3dB ,即功率下降 50%或电压降至70%。 下面,对比一下时钟频率都为1 GHz 的理想方波与 梯形波时钟信号的情况,其基波都为1 GHz 的正弦波 频率。
13
▲ DFT——如果时域波形具有周期性,且可以 用一系列离散点采样值加以表征,则称作时域周期 离散函数。对应于频域也是离散周期函数。这就是 离散傅里叶变换 (DFT) ,对应的快速算法称之为 FFT。真正做的时候是用FFT/IFFT完成的。
14
等价
图2.4 (上)1GHz时钟在时域的单个周期 ;(下)经DFT变换后的频谱
。一个任意的短脉冲,都可用傅里叶积分变换到频域。
傅里叶积分是在整个时间轴上从-∞到+∞积分,得到的结 果是从零频率到+∞频率上连续的频域函数。 ▲ FS——一个时域的周期函数,展开为频域中多个离散 正弦函数之和,所谓的傅里叶级数(FS)展开式。
这就是在下面实际分析问题时用到的概念:一般信号波
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膝频率(FKnee)
一个实验
Random “1” or “0”
D
Q
Fclock
CP
/Q
时钟信号的上升、下降时间为时钟周期的1%。 D触发器输出数字信号的特征与输入时钟类似。
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频谱分析
Random “1” or “0”
D Q
谱分析
从频率Fclcok到频率Fknee,整个输出 功率密度谱呈-20dB/decade的斜率 下降。 在Fknee处附近,谱密度曲线开始快 速下降。 拐点频率Fknee的功率谱密度比正常 下降曲线低6.8dB。 输出信号的能量主要集中在低于拐 点频率Fknee的频率范围内。
NM H VOH min VIH min NM L VIL max VOL max
这里有两个噪声容限定义:NMH表示高电平状态时的噪声容限, NML表示低电平状态时 的噪声容限。
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二. 信号完整性
信号完整性讨论是为了确保可信的高速数据传输。在高速数字系统设计时,人们经 常会问到这样的问题:传输到目的地的信号是否如同人们所预期的那样?或者说:当信 号到达时是否处于良好的状态? 信号完整性涉及到两个方面:信号波形的完整性和时序的完整性。 信号波形的完整性:
分布模型(离散模型)示意图
基本的传输线结构如图所示,理想上,它是由无限多的RLC网络所组成的,然而,为了 计算的目的(特别是为了时域的计算方便),我们通常选择有限个RLC网络来代表。其基本 的假设是每个RLC网络的延迟时间远小于信号的波长或者上升时间。 需要提醒的是,这种传输线模型仍然是用集总的元件来描述系统的,只不过这些元件 是分布在整个系统中,并且是足够小。以至于每个RLC网络的延迟时间远小于信号的波长或 者上升时间。我们称这种传输线模型为“分布模型”。在分布模型”中,我们使用了许多 分布元件来描述电波传输的性能。
高速数字系统设计中的信号完整性

中国科学技术大学

快电子学实验室
2005年4月8日
第一讲
几个基本概念
电源与地系统
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2
一. 几个基本概念
信号完整性(Signal Integrity)
膝频率fKnee与上升时间tr
集总系统与分布系统 传输线与阻抗匹配
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Entrinsic Skew Intrinsic Skew
Clock_Out
连线
In
负 载
Out
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时序抖动
当实际信号的边沿与理想时序边沿的偏离由于受某种因素(如噪声、串扰、电源电压 变化等)不断发生变化时,而且这种变化是随机的,这种现象就是我们常说的时序抖动, 或者说时序晃动。这种偏离相对于理想位置可能是超前,也可能是滞后的,时序抖动的数 值表示通常有两种:
3
信号完整性(Signal Integrity)
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4
一. 数字信号
1. 理想的数字信号(二值函数)
数学模型1:
1 V (t ) 0
t0 t t1
“1” 电平 “0” 电平
其它时间
t0
t1
理想数字信号波形 – 数学模型1
数学模型2:
V (t ) 0 t t0 ( ) tr 1 t t ( 3 ) tf
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时间容限(Timing Margin)
建立方程: 保持方程:
T1 tvalid(max) t flight(max) t setup CLK skew CLK jitter tvalid(min) t flight(min) thold(max) CLK skew CLK jitter
时钟抖动的最大值,即:峰-峰值(Peak-Peak),单位一般为皮秒,常用ps来表示。 时钟抖动的均方根值,即所谓的标准方差(),单位一般也为皮秒( ps )。 数字信号的边沿抖动,对系统的影响可以认为是一种动态行为,或者说其影响是随 机的,对系统性能破坏更大,尤其是时钟信号的抖动,常常是制约高速数字系统性能的 根本因素。
Fclock
CP /Q
将膝频率Fknee频看作为数字信号的
频率成分上限。
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膝频率与上升时间
FKnee
0.5 tr
任何数字信号的膝频率只与数字信号的上升(tr)和下降沿时间(tf)有 关,而与时钟速率无关。 容易看出,上升沿时间越小,膝频率越大,上升沿时间越大,膝频率越小。 任何数字信号重要的时域特性基本上都是由FKnee频率以及其以下的频率成分所 决定。
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两类时序偏差
从更广义的角度出发,由于器件之间连线延迟的不同,或者负载条件的 不同,都有可能引起时序信号的实际“沿变”与理想的“沿变”不同。因此 可以将时序偏差分为两类: 内部时序偏差(Intrinsic Skew): 由逻辑器件内部产生的,表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。 外部时序偏差(Extrinsic Skew): 由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别。
一. 信号传输的四种电性等效模型
全波模型 分布模型(离散模型) 集总模型 直流模型
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1. 全波模型
理论:“麦克斯威方程组”。 假设电磁波在一个无限大的平 面上行进:
电场指向x方向; 磁场指向y方向; 整个电磁场往z方向行进。
传播速度:光速, 阻抗:电场对磁场的比值,在自由空间里为377。 当平面波遇到一个高传导物体时,传播方向会随即发生变化。如果适当地调 整传播的物体,则平面波可以被导入到一个传输线里,这个我们称为“全波 模型”。 选择“边界条件”用以代表实际物体的几何结构以及所使用的材料,来求解 全 波模型的麦克斯威方程组。 即使非常简单的结构体,方程组也很难解出。
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0.01 (1KHz)变为1,并且还获得50的感应电抗。
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到底多高的频率 会影响到高速数字 电路的设计呢

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90% VH min 50% 10% Vth VL max
tr
tf
噪声容限:(Noise Margin)
噪声容限是量度逻辑电路在最坏工作条件下的抗干扰能力的直流电压指标 , 它规定了 数字电路在稳定状态时允许的最大噪声。该参数定义为 : 最差输入逻辑电平值 (VIH m平值(VOH min或VOL max)之差, 即:
参数定义: 上升时间(tr): 下降时间(tf): 数字信号上升沿中对应满幅度电压的10% ~ 90%处的时间 间隔。 数字信号下降沿中对应满幅度电压的90% ~10%处的时间 间隔。
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参数定义:
90% VH min 50% 10% Vth VL max
上冲(Overshoot)
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3.集总系统
如果传输线的整体传输延迟时间较信 号的上升时间来的短的话,则只需要一个 RLC网络或是RC 网络就可以代表整个电磁波 的性能,我们称它为“集总模型”。 在集总模型的环境里,电磁波的波长 会远大于电路的物理尺寸,所以,可以将 分布的一些小的电路元件集总起来就可以 精确地描述电磁波的性能。
所有项目都考虑为最差情况,即考虑了时间容限,但然,也有为了更 为保险,可以再加一些时间容限,但在当前的高速电路,增加时间容限也 是要付出代价的
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影响信号完整性的主要因素
信号在传输线上的反射
信号在传输过程中的串扰
噪声(电源噪声,热噪声,地反弹噪声等) 电磁辐射
下冲(Undershoot)
下冲又被称为反冲。它指的是信号在过冲后,又沿着跳变方向的反方向,信号波形越过稳定的“1”或 “0”状态电平的部分。 对于上升沿,即:从“0”到“1”的跳变,信号上冲后,反过来又低于逻辑电平“1” 的稳定电压值的部分 。 对于下降沿,即:从“1”到“0”的跳变,信号过冲后,反过来又高于逻辑电平“0”的电压稳定值的部分 。 振铃 (Ring) 信号发生连续多次的上冲和下冲,所形成的震荡。一般其振幅应是一次比一次小,逐渐趋于零。 中国科大 快电子学 安琪 7
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膝频率(fKnee)与 上升时间(tr )
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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。 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1V。 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。
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2.分布系统
简化数学模型: 用“电容”来描述电能 用“电感”来表示磁能, 用“电阻”来代表转换为热的能量损耗。 这些元件被定义成没有实际尺寸,由无损和 无延迟的导线将它们连接起来。 有了这些电路元件就不再需要麦克斯威方程 组和边界条件,利用这些电路元件就可以来 描述一个所谓的理想传输线的结构。
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要点
在高速数字系统设计时,实际的数字波形必须考虑。既:要保持 信号的完整性。 信号完整性涉及到两个方面:波形完整性和时序完整性。 波形完整性要素:
上升和下降时间 上冲和下冲 振铃 噪声容限 占空比
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