信号完整性介绍
信号完整性介绍
信号完整性基础知识术语、符号和缩略语术语1．信号完整性（Signal Integrity）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。
2．传输线（Transmission Line）传输线是一个网络（导线），并且它的电流返回到地或电源。
3．特性阻抗（Characteristic Impedance）组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输时，信号的跃变电压（V）和跃变电流（I）的比值称为特性阻抗（Z0），即Z0=V/I。
4．反射（Reflection）反射就是在传输线上的回波。
信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。
如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。
5．串扰（Crosstalk）串扰是两条信号线之间的耦合。
信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
6．过冲（Overshoot）过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。
对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压。
过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。
7．下冲（Undershoot）下冲是指下一个谷值或峰值。
过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。
8．电路延迟指信号在器件内传输所需的时间（T pd）。
例如，TTL的电路延迟在3 ~ 20nS 范围。
9．边沿时间器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间（信号波形的10~90%），通常表示为上升沿（T r）。
器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间（信号波形的90~10%），通常表示为下降沿（T f）。
10．占空比偏斜信号传输过程中，从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间的差别，称为占空比偏斜。
TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其输出的上升沿和下降沿延迟不同。
信号完整性总结
2.信号完整性问题一般分为四种：单一网络的信号质量、相邻网络间的串扰、轨道塌陷和电磁干扰。
6.使用三种级别的分析来计算电气效应——经验法则、解析近似和数值仿真工具，这些分析可以应用于建模和仿真。
7.测量无源器件和互连线的电气特性的仪器一般有三种：阻抗分析仪、网络分析仪、时域反射计。
这些仪器对减小设计风险、提高建模和仿真过程精度的可信度起着重要作用。
8.四种信号完整性问题的一般解决方法，信号质量（设计原则）：信号在经过整个互连线时所感受到的阻抗应相同。
串扰：保持线条间的间隔大于最小值，并使线条与非理想返回路径间的互感最小。
轨道塌陷：使电源/地路径的阻抗和电流噪声最小。
电磁干扰：使带宽以及地阻抗最小，采取屏蔽措施。
4. 数字信号的上升时间通常是从终值的10%到90%的时间。
5. 正弦波是频域中惟一存在的波形。
6. 傅里叶变换是将时域波形变换成由其正弦波频率分量组成的频谱。
7. 理想方波的频谱的幅度以速率1/f下降。
8. 去掉方波中的较高频率分量，上升时间就会增加。
9. 与同频率理想方波的同次谐波相比，一般信号的带宽是指“有效”的最高正弦波频率分量。
10. 信号带宽是0.35/(信号的上升时间)，一个经验公式。
12. 测量带宽是指有良好精度时的最高正弦波频率。
13. 模型的带宽是指采用该模型描述后的预测值与互连线的实测性能能很好吻合时的最高正弦波频率。
14. 互连线带宽是指互连线传输性能满足指标时的最高正弦波频率。
15. 互连线3dB带宽指的是信号衰减小于—3dB时的正弦波频率。
1.阻抗是一个描述所有信号完整性问题及解决方法的很有效的概念。
2.阻抗描述了互连线或元件中电压和电流的。
从根本上说，它是器件两端的电压与流经器件的电流之比。
3.不要把构成实际硬件的真实电路元件相混淆，理想电路元件是对真实世界的近似数学描述。
6.虽然阻抗的定义在时域和频域中是相同的，但是在频域中总结电容电感的描述方法则更简单更容易。
《信号完整性培训》课件
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
信号完整性复习
第一章概论狭义的信号完整性（SI），是指信号电压（电流）完美的波形形状及质量。
广义的信号完整性（SI），指在高速产品中，由互连线引起的所有信号电压电平和电流不正常现象，包括：噪声、干扰和时序等。
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。
信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。
信号无失真：信号经过一个系统后，各个参数被等比例地放大或缩小。
高速的含义：（严格地，高频不一定高速，低频也不一定低速）当系统中的数字信号的上升边小于1ns或时钟频率超过100MHz时，我们称之为高速运行。
物理互连的电阻、电容、电感和传输线效应影响了系统性能。
作者Eric将后果归结为四类SI问题：反射(reflection)；串扰(crosstalk)；电源噪声（同步开关SSN、地弹、轨道塌陷）；电磁干扰(EMI)。
反射(reflection)是指传输线上有回波。
信号功率（电压和电流）的一部分经传输线上传输到负载端，但是有一部分被反射回来形成振铃（ringing），振铃就是反复出现过冲和下冲。
（过冲是指第一个峰值或谷值超过设定电压；下冲类似）。
振铃现象实际上是由阻抗突变产生的反射引起的。
减小阻抗突变问题的方法就是让整个网络中的信号所感受的阻抗保持不变当信号从驱动源输出时，构成信号的电流和电压将互连线看做一个阻抗网络。
当信号沿网络传播时，它不断感受到互连线引起的瞬态阻抗变化。
如果信号感受到的阻抗保持不变，则信号就保持不失真。
一旦阻抗发生变化，信号就会在变化处产生反射，并在通过互连线的剩余部分时发生失真。
如果阻抗改变的程度足够大，失真就会导致错误的触发。
串扰crosstalk)是指两个不同的电性能网络之间的相互作用。
通常，每一个网络既产生串扰，也会被干扰。
电源噪声主要指同步开关噪声（SSN）。
地弹是返回路径中两点之间的电压，它是由于回路中电流变化而产生的。
于博士-信号完整性
信号完整性一、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：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。
《信号完整性培训》课件
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。
信号完整性名词解释
信号完整性名词解释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。
产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为Victim。
通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。
振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。
印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。
信号完整性
3.2 信号完整性仿真3.2.1 信号完整性基础高速PCB的信号线必须按照传输线理论去设计，否则就会产生反射、串扰、过冲和下冲等问题而严重影响信号的完整性。
信号完整性是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。
如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。
反之，当信号不能正常响应时，就出现了误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等时钟间歇振荡和数据出错等信号完整性问题。
当频率超过50MHz或信号上升时间Tr小于6倍传输线延时时，系统的设计必然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问题。
以下是印象信号完整性的一些现象。
①反射反射就是信号在传输线上的回波现象。
此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。
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。
如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。
根据负载阻抗和源阻抗的关系大小相同，反射电压可能为正，也可能为负。
如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接受数据错误。
如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。
一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输以及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。
；另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。
②串扰在所有的信号完整性问题中，串扰现象是非常普遍的。
串扰可能会出现在芯片内部，也可能出现在电路板、连接器、芯片封装以及线缆上。
串扰是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
产生串扰被称为Aggressor，而另一个收到串扰的被称为Victim。
通常，一个网络既是入侵者，又是受害者。
振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象，串扰则是自同一块PVB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
信号完整性
信号完整性信号完整性是指信号在传输路径上的质量，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。
差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。
目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电路为基础，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。
阻抗不连续引起的信号反射导致信号完整性问题保证阻抗一致连续性的策略1.仔细设计系统叠层结构，按一致阻抗设计原则来决定各个布线层传输线的物理和几何参数，达到期望阻抗。
2.仔细设计信号回流路径，保证回流路径完整性，为传输线提供一致的参考平面。
3.按阻抗匹配设计原则，在传输路径的适当位置放置匹配电阻来控制反射。
4.仔细设计整个传输路径的拓扑结构，尽量减小分支数量和减小STUB线的长度。
（分支，并联，阻抗不匹配）3W原则：如果两导线间的间距大于线宽3倍以上，可以忽略耦合影响。
什么是信号完整性
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。
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。
差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
信号完整性的一些基本概念传输线（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
信号完整性设计基础
23
信号完整性—关键点
• 耦合间距
阻抗与其相关； 串扰的关键点； 总之，没关系的走线越远越好。
• 阻抗
决定反射程度； 阻抗要连续。
24
信号完整性—PCB
• 速率-高速/普通 • 成本 • Dk：介电常数，越小越好； • Df：损耗角正切（损耗因子），越小越好； • 稳定性：频率、温度和湿度等。
25
优势：抗干扰。
根源：同进同出，且无串扰。
20
主要内容
一、信号完整性概述 二、信号完整性问题分类 三、 信号完整性实例分析 四、信号完整性测量
五、信号完整性设计
21
信号完整性—关键点
• 频率-带宽、信号上升时间 • 耦合长度-信号路径长度 • 耦合介质-介电常数、损耗角度正切 • 耦合间距 • 阻抗-由耦合间距、耦合介质决定
FR4带状线， εr =4.4， Tanδ =0.018，1G时损耗为-3dB/m，
10G时为-34dB/m。
11
• 信号传输 —导体损耗
随着频率升高，电流由于趋肤效应集中在导体表面， 受到的阻抗增大，能量以热能耗散，同时，铜箔表面 的粗糙度也会加剧导体损耗。
趋肤深度
µ为磁导度、√f成正比。
Td=1/4Tr，反射噪声为25%； Td=1/5Tr，反射噪声为12.5%； Td=1/6Tr，反射噪声为5%；
18
• 信号传输 —串扰
根源：传输线的特征，电容和电感耦合。
容性串扰：
Zv为受害线阻抗。
感性串扰：
Zd为驱动线阻抗。
串扰噪声与驱动信号的压摆动率、耦合长度和间距相关。
19
• 信号传输 —差分信号
27
主要内容
一、信号完整性概述 二、信号完整性问题分类 三、 信号完整性实例分析 四、信号完整性测量
信号完整性分析
信号完整性是指在信号线上的信号质量。
当电路中信号能以要求的时序和电压幅度到达接收端时，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。
板级信号完整性主要表现为延迟、反射、串扰、同步切换噪声、过冲和下冲、地弹、振铃和EMI(Electro Magnetic Interference)即电磁干扰等几方面。
延迟是指信号在PCB板上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，过长的延迟可导致时序混乱，由于本系统采用多块电路板级联结构设计，信号在单块PCB上的延时可以忽略，但在板级间通过接插件的传输，尤其是顶层板到底层板的信号传输，需要通过中间两块板，信号的走线路程相对很长，时间的延迟不可忽略。
为此，系统选用性能良好尤其电气特性良好的接插件，同时考虑关键控制信号要尽可能减少传输路程，布局布线时优先考虑。
反射是在传输线上的回波，信号经过传输线将一部分功率传给负载的同时，由于阻抗不匹配，有一部分能量反射回源端。
如果阻抗匹配（源端阻抗、传输线阻抗与负载阻抗相等），信号全部传给负载，反射不会发生。
减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数为零。
具体做法是在靠近源端的地方串联进去一几十欧姆的电阻，该方法简单有效，消耗功率小。
串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生不期望的电压噪声干扰。
过大的串扰可能引发电路的误触发，导致系统无法正常工作。
串扰是由电磁耦合形成的，根据容性耦合和感性耦合的不同，产生的干扰有互容串扰和互感串扰。
互容串扰是信号线间的容性耦合，当信号线在一定长度上靠得比较近的时候就会发生，客服的方法有两种，适当减少两根走线间的并行距离和在两根走线间穿插地线。
互感串扰是由布线时产生的环路引起的，克服的办法是在布线时避免环路的出现。
信号完整性分析
信号完整性分析与应用设计报告1信号完整性设计信号完整性是指信号通过信号线传输后的质量。
在电路中,一段导线并不仅仅是导体,它在低频段呈阻性,在中频段呈容性,在高频段呈感性,到甚高频时则变成了辐射天线。
在高速PCB设计中,集成电路的切换速度过高、电路的布局布线不合理等都会引起信号完整性问题,主要包括定时、反射、串扰、振铃等问题。
1. 1定时集成电路只能按规定的时序接收数据,过长的信号延迟可能导致时序违背和功能混乱。
在低速系统中,信号互连延迟和阻尼振荡可以忽略不计,因为信号有足够的时间达到稳定。
但当系统时钟很高时,信号在器件间的传输时间以及同步准备时间都缩短了,驱动过载、走线过长都会引起延时。
高速电路要求在很短的时间内满足各种门延时,包括建立时间、保持时间、线延时等。
而且在高速PCB中,传输线上的分布电容、分布电感都会对信号的数字切换产生延时，影响数字电路的建立和保持时间,延时过长可能会导致集成电路无法正确判断数据。
1. 2反射反射就是信号在传输线上的回波。
按照信号传输理论,信号经过传输线将功率传给负载的时候,由于阻抗不匹配有一部分能量会向源端返回。
在高速设计中,信号连线不再是集中参数电路中的导线,而应等效为传输线。
如果阻抗匹配,信号将全部传递给负载,反射不会发生。
反之,若负载阻抗与传输线阻抗失配,就会导致信号反射。
布线的某些几何形状、不适当的端接、电源平面不连续等因素都会导致信号反射。
1. 3串扰当边缘速率低于1 ns时,串扰问题就必须考虑了。
通常在高速高密度电路板中比较容易出现串扰问题,原因是当高速电路信号线上有交变的电流通过时,会产生交变的磁场,处于该磁场中的相邻信号线会感应出信号电压,有时会引起高频谐振,再耦合到邻近的互连线中,就造成了串扰。
高速印制板叠层的设置、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线端接方式对串扰都有影响。
1. 4振铃振铃表现为信号反复出现过冲和下冲,在逻辑电平的门限上下抖动,振荡呈欠阻尼状态。
信号完整性基础
串行端接
Rs
R
50Ω
∞Ω
一般驱动源内阻 很小，端接电阻R和 应等于传 输线阻抗50 可避免信号在源端发生反射。 串行端接是使源端电阻与传输线的特性阻抗匹配：串 行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串联电阻阻值加上 驱动源的输出阻抗应等于传输线的特性阻抗。
并行端接
Rs
50Ω
∞Ω
50Ω
并行端接是使负载阻抗与传输线阻抗 匹配 ，主要是在尽量靠近负载端的位置加 上拉或下拉电阻以实现终端的阻抗匹配 。
Setup Time & Hold Time
Data Clock
Setup Time
Hold Time
建立保持时间
建立时间（Setup Time）是指触发器的 建立时间（Setup Time）是指触发器的 时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的 时间，如果建立时间不够，数据将不能在这 个时钟上升沿被打入触发器。 保持时间（ Hold Time ）是指触发器的 时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的 时间。如果保持时间不够，数据同样不能被 打入触发器。
欠阻尼 临界阻尼
过阻尼
Ringing（振铃） Ringing（振铃）
High Threshold
Low Threshold
多次跨越逻辑电平，易造成误触发。造成原 因主要有：传输线过长、串扰、阻抗不匹配、 电感量过大等。
Overshoot、Undershoot& Overshoot、Undershoot& Ringback
示波器探头的负载效应
阻性负载：观测到的信号幅度和直流偏 置发生了变化，电路的实际情况发生了改 变。建议： 探头电阻R>10倍DUT源电阻。 探头电阻R>10倍DUT源电阻。 容性负载：使信号上升时间减缓，带宽 减小，传输延迟增加。建议：使用电容尽 量小的探头，以减小对被测信号上升时间 的影响。 感性负载：因为探头地线的电感效应， 增加显示信号的振铃，因为振铃的出现， 可能导致测试误差。建议：使用尽量短的 地线，且减小环路面积。
信号完整性
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。
产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为 Victim.通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。
振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。
印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。
什么是信号完整性
什么是信号完整性◆作者:佚名来源:网络点击数: 320 日期:2007-10-17 15:19:32问题：什么是信号完整性？信号完整性是什么意思？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。
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。
差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
信号完整性的一些基本概念传输线（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。
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。
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。
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。
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。
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。
信号完整性的讲义
1、信号完整性的含义................................................................................................................ - 1 -2、一种新的产品设计方法学.................................................................................................... - 2 -3、测量的作用 ........................................................................................................................... - 3 -4、带宽和上升时间的关系........................................................................................................ - 3 -5、用阻抗描述信号完整性........................................................................................................ - 4 -6、方块电阻 ............................................................................................................................... - 4 -7、去耦电容 ............................................................................................................................... - 4 -8、单位长度电容 ....................................................................................................................... - 4 -9、电源分布系统和回路电感.................................................................................................... - 5 -10、信号 ..................................................................................................................................... - 5 -11、传输线的阻抗...................................................................................................................... - 5 -12、信号的返回路径.................................................................................................................. - 7 -13、地弹噪声 ............................................................................................................................. - 7 -14、特性阻抗与频率的关系...................................................................................................... - 7 -15、信号的反射 ......................................................................................................................... - 8 -16、传输线的串扰...................................................................................................................... - 8 -17、近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)............................................................................... - 8 -18、近端串扰 ............................................................................................................................. - 9 -19、远端串扰 ............................................................................................................................. - 9 -20、减小远端串扰的原则：.................................................................................................... - 10 -21、串扰和时序 ....................................................................................................................... - 11 -22、开关噪声 ........................................................................................................................... - 11 -关于信号完整性1、信号完整性的含义信号完整性是指在高速产品中由互连线引起的所有问题。
信号完整性测试介绍
信号完整性测试介绍目录CONTENTS 1•信号完整性SI2•信号完整性测试内容3•信号完整性测试条件•信号完整性测试标准45•信号完整性问题总结一、信号完整性SI信号完整性SI（Signal Integrity)：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。
如果电路系统中信号能够以要求的时序，持续时间和电压幅度到达IC，则该电路系统具有较好的信号完整性。
反之，当传输的信号不能被IC正常响应时，就出现了信号完整性问题。
SI解决的是信号传输过程中的质量问题，尤其是在高速领域，数字信号的传输不能只考虑逻辑上的实现，物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往往成为设计成败的关键。
理想数字信号波形实际数字信号波形（模拟量）SI 解决的问题 反射串扰过冲振铃地弹 时序 EMC在数字电路系统中，信号以逻辑“0”或“1”的方式从一个器件传输到另外一个器件，信号到底是“0”还是“1”，一般来说它们都是有一个参考电平。
在接收端的输入门里面，如果信号的电压超过高电平参考电压Vih，则该信号被识别为高逻辑；如果信号的电压低于低电平的参考电压Vil，则该信号就被识别为低逻辑。
如下图所示为一个理想信号经传输线后的接收端实际接收的信号理想数字信号接收端实际数字信号问题图形原因分析备注电平没有到达逻辑电平负载过重传输线过长电平不匹配驱动速度慢上冲/下冲高速、大电流驱动阻抗未匹配电感量过大其它相邻信号串扰典型的信号完整性问题及其产生的原因分析问题图形原因分析备注振铃（不单调）电感量过大阻抗不匹配延时错误负载过重传输线过长驱动速度慢二、信号完整性测试内容1 信号（SI）测试内容2 电源（SI）测试内容三、信号完整性测试条件1 单板/系统工作条件单板/系统工作在室温条件（20℃~27℃）单板/系统要可靠接地单板/系统上电正常工作，各模块工作均正常，30分钟后再开始测试单板/系统在轻载及满载情况下均应测试单板/系统电源稳定在额定电压±3%范围内2 测试人员要求<1>.熟悉逻辑电平及信号时序的基本知识，熟练掌握示波器及万用表的使用方法；<2>对单板/系统电路原理有深刻的认识，对信号分类及信号的流向有清楚认识，了解单板/系统上器件的工作原理、工作速度及工作电平；<3>.测试人员在测试操作仪器时必须穿戴防静电服、静电鞋和防静电帽；<4>.在用手持握被测电路板时必须戴防静电手套；<5>.测试人员在不同仪器时必须要按照仪器的具体要求来操作。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，负载试图消耗比当前源端提供
的能量更多的能量，故通过反射来通知源端输送更多的能量，这种情 况称为过阻尼。
如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗，那么负载端多余的能量就会反
射回源端，由于负载端没有吸收全部能量，故称这种情况在尽量靠近负载端的位置加上拉或下拉 阻抗以实现终端的阻抗匹配.下图这种端接方式是简单 地在负载端加入一下拉到GROUND 的电阻RT（RT＝ Z0）来实现匹配.
3.串扰的消除 针对以上这些串扰的特性，可以归纳出几种减小串扰的 主要方法: ＊ 加大线间距，减小线平行长度，必要时可以以jog 方 式走线； ＊ 高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配可以 减小或消除反射，从而减小串扰； ＊ 对于微带传输线和带状传输线，将走线高度限制在高 于地线平面10mil 以内，可以显著减小串扰； ＊ 在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之 间插入一条地线，可以起到隔离的作用，从而减小串 扰。
2.信号过冲与振铃的消除 上图是高速信号的简化模型,Rs,Z0,RL分别表示输出阻 抗,传输线特性阻抗,输入阻抗,那麽始端反射系数和 终端反射系数分别为: Ρs=(Rs-Z0)/(Rs+Z0) ΡL=(RL-Z0)/(RL+Z0) 当RS或RL等于特性阻抗Z0时,始端反射系数或终端反射 系数为0,消除了反射或二次反射,即可以消除因反射 引起的过冲和振荡. 我们常用的方法有始,终端串联电阻匹配法,终端RC匹 配法和终端并联电阻匹配法.所有这些方法都是通过 引入新的阻抗,使输入或输出阻抗等于传输的特性阻 抗,始端或终端反射系数为0,从而消除反射带来的过 冲和振荡
差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起 的. 主要的信号完整性问题包括反射、过冲、串扰,振荡,地弹等。 *反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收，发 射的程度可以有反射系数ρ表示。 *过冲/下冲（Over shoot/under shoot）：过冲就是指接收信号的第一个峰值 或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下 降沿是指第一个谷值超过最低电压，而下冲就是指第二个谷值或峰值。 *串扰：串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的 不期望的电压噪声干扰，这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。 *振荡：在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据 表现形式可分为振铃（Ringing）和环绕振荡，振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡 为过阻尼振荡。 *地弹（Ground Bounce）：指由于封装电感而引起地平面的波动，造成芯片地 和系统地不一致的现象。同样，如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源 差异，就称为电源反弹（Power Bounce）。
注意:从原理上说，反射波的幅度可以大到入射电压的幅度，极性 可正可负.
2.信号反射的消除 在高速数字系统中，传输线上阻抗不匹配会引起 信号反射，减小和消除反射的方法是根据传输线 的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹 配，从而使源反射系数或负载反射系数为零。 传输线的端接通常采用两种策略： （1）使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接 （2）使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接
影响信号完整性的因素
PCB层设置、PCB材料影响传输线特性阻抗等，间接影响信号完整性； Ø 线宽、线长、线间距在高速、高密度PCB设计中对信号完整性影响较大； Ø 温度、工艺等对设计参数的影响，间接影响信号完整性； Ø 器件工作频率、速度、驱动能力、封装参数等对信号质量有一定的影响； Ø 多负载拓扑结构对信号完整性产生较大的影响； Ø 阻抗匹配、负载； Ø 电源、地分割； Ø 趋肤效应； Ø 回流路径； Ø 连接器； Ø 过孔； Ø 电磁辐射； 。。。。。。 可见，信号完整性设计的考虑因素是多方面的，设计中应把握主要方面，减少不确定 性，以下是一些常见的信号完整性现象及其产生的原因简析：
现代电子设计的挑战
信号边缘速率越来越快 片内和片外时钟速率越来越高 系统和板级SI、EMC问题更加突出
电路的集成规模越来越大 I/O数越来越多 单板互连密度不断加大 推向市场的时间不断减少 开发成本成为主要推动力 一次性设计成功的挑战
信号完整性（Signal Integrity）
常见的信号完整性现象及其产 生的原因
电平没有达到逻辑电平门限
* 负载过重 * 传输线过长 * 电平不匹配 * 驱动速度慢
常见的信号完整性现象及其产生的原因
多次跨越逻辑电平 阈值错误
*电感量过大 *阻抗不匹配
常见的信号完整性现象及其产生的原因
延 时错误（信号 建立时间不满足） *负载过重 *传输线过长 *驱动速度慢
串行端接
串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入 一个电阻RS（典型10Ω到75Ω）到传输线中来实 现的，如下图所示。串行端接是匹配信号源的阻 抗，所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻 抗应大于等于传输线阻抗（轻微过阻尼）。即
2.信号过冲和振荡的产生与消除
1.信号过冲和振荡的产生 高速信号产生过冲和振荡有两方面的原因:长线传输和传输线的不 均匀.传输高速信号时,传输线当作分布参数处理,即以电阻,电感,电 容组成的具有分布参数的电路加以处理.传输过程中的任何不均匀 (如阻抗变化,直角线)都会引起信号的反射.当信号推进到终端时,如 果终端负载与传输线的特性阻抗不匹配,就会造成信号的反射,从而 形成多次 反射.多次反射的结果对数字信号表现为上升沿,下降沿的 振铃和过冲
2.串扰的特性：
＊ 串扰是线间的信号耦合，在串扰存在的信号线中， 干扰源常常也是被干扰对象，而被干扰对象同时 也是干扰源； ＊ 串扰分为后向串扰和前向串扰两种，传输线上任 意一点的串扰为二者之和。对于有着理想的地平 面的带状传输线，由于它对于感性耦合和容性耦 合有着很好的平衡，因此感性耦合与容性耦合产 生的电流大小相等、方向相反，从而使得前向串 扰相互抵消，反向串扰相对加强。而对于非理想 地平面或微带传输线，由于感性耦合的影响要大 于容性耦合，从而使得前向串扰极性为负幅值大；
常见的信号完整性现象及其产生的原因
上冲/下冲 *高速、大电流驱动 *阻抗未匹配 *电感量过大
常见的信号完整性现象及其产生的原因
振铃（不单调） *传输线过长 *串扰 *多负载 *阻抗不匹配
主板硬件开发流程简介&信号完整性 测试的嵌入
Bad signal capture vs Good signal.
3.串扰的产生与消除
1.串扰的产生 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
信号完整性分析
引言
高速电路的含义：频率高，通常认为如果数字逻辑电路设计的频
率达到或者超过20MHz~33MHz，而且工作在这个频率的电路已 经占整个电子系统一定的份量（例如三分之一），则称为高速电 路设计。 高速信号的含义：是指数字信号的上升与下降（或称信号的跳变） 非常之快，当信号的上升时间小于6倍（有说4倍）信号传输 延 时（电长度）时即认为信号是高速信号。
＊ 串扰大小与线间距成反比，与线平行长度成正比； ＊ 串扰随电路中负载的变化而变化，对于相同的拓扑 结构和布线情况，负载越大，串扰越大； ＊ 串扰与信号频率成正比，在数字电路中，信号的边 沿变化（上升沿和下降沿）对串扰的影响最大，边沿 变化越快，串扰越大； ＊ 反向串扰在低阻抗驱动源处会向远端反射； ＊ 对于多条平行线的情况，其中某一线上的串扰为其 它各条线各自对其串扰的综合结果，某些情况下，串 扰可以对消； ＊ 对于传输周期信号的信号线，串扰也是周期性的
Bad.
Unable to be analyzed.
Good !! See clearly and able to analyze.
Glitch
Noisy Levels
Overshoot & Ringback
Ringing
Undershoot & Ringback
Skewing
Flight Time
The End
信号完整性 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。 信号完整性解决的是信号传输过程中的质量问题，尤 其是在高速领域，数字信号的传输不能只考虑逻辑上 的实现，物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往 往成为设计成败的关键。
主要的信号完整性问题
1.反射的形成与消除
1.反射的形成
传输线上的阻抗不连续会导致信号反射，我们以图所示的理想 传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。图中，理想 传输线L 被内阻为R0 的数字信号驱动源VS驱动,传输线的特性 阻抗为Z0，负载阻抗为RL
由上图可知负载反射电压系数ρL 计算公式如下: ρL=(RL-Z0)/(RL+Z0) 串联Q为WL/R， 并联为R/wL 1.由上式可见，-1≤ρL≤+1，且当RL＝Z0 时,ρL＝0， 这时就不会发生反射。即只要 根据传输线的特性阻 抗进行终端匹配，就能消除反射; 2.当RL<Z0 时，ρL<0，处于过阻尼状态，反射波极性 为负; 3.当RL>Z0 时，ρL>0，处于欠阻尼状态，反射波极性 为正.