信号完整性基础培训课件

（不显示负向变换
）
频域平面
时域平面
频域
时域
信号的时域分析与频域分析既相互独立又密切相关。可以通过傅里叶变换把它们 联系起来并互相转换。
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1.1.2 上升时间
上升时间一般定义为从波形的10%处上升到90%处所需要的时间，也有定义是规定从20%处 到80%处。用完全相同的方式定义下降时间，即从波形的90%处下降到10%处所需要的时间。
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➢ 瞬态阻抗 信号在传输线的传播实际上是信号路径与返回路径之间的电容在不停地充电
！
信号在导线上传播时,电流I是一个常量：
瞬态阻抗 信号的速度 信号的电压
材料的介电常数
信号每走一步就使一个电容充上电
设步长为△x，每个小电容的大小C就是传输线单位长度 的电容量CL与步长△x的乘积：
信号受到的瞬态阻抗就是信号电压V与电流I的比值
无损传输线特性阻抗计算公式：
影响LC的因素必然影响特性阻抗
如果线宽增加，单位长度电容就增加，相应的特性阻抗就下降；如果介质厚度 增加，单位长度电容就减小，相应的特性阻抗就增大。
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➢ 差分阻抗
差分信号感受到的阻抗，即差分阻抗,电压与电流的比。假设差分对两条线间不存在耦合(一 种理想的假设，实际并不存在)。为了使耦合降到最小，假定两条线足够远，例如，线间距至少 有线宽的2倍。每条线的单端特性阻抗Z0为50Ω。流经信号传输线与返回路径之间的电流为：
左图为当两线间距逐渐减小时，带状线差分阻抗变化。导线材料为FR4、线宽5mil、特性阻抗 50Ω。Ansoft的 SI2D仿真
➢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。
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1.1.4.3 差分对
差分对是指一对存在耦合的传输线，差分信号的传输是利用两个输出驱动来驱动两 条传输线。一根携带信号，另一根携带它的互补信号。所需要的信号线就是两条传输 线上的电压差，它携带者传输信息。
差分信号 共模信号
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频域：自变量是频率,即横轴是频率,纵轴是该频率信号的幅度,也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是通常说的频谱图。频谱图描 述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系 。
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➢ 时域和频域的关系
频域
（不显示负向变换）
只考虑导体损耗
2.对于FR4介质，传输线上升沿可近似认为以11.6ps/in速度恶化。
此图由Ansys公司的ansoft designer仿真得到。
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➢ 选择多长的传输线可保证信号上升沿不明显退化
共面线
边缘耦合差分微带线
边缘耦合差分带状线
1.差分对最重要的性质就是它的横截面积是恒定不变的，而且对差分信号有一个恒定的阻抗。 这些特性将会保证反射和失真达到最小。
2.差分对每根线上的时延是相同的，从而确保了差分信号边沿的陡峭，两条传输线上任何时延差 或错位（skew）都会使差分信号变成共模信号。
3.两条传输线要完全相同，线的宽度和两条线间的介质间距也完全相同。这种特性叫对称性。
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
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➢ 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。
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
➢ 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
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间。
传播时间（微带线）= ×传播时间（带状线）
W=走线宽度（mil） H=走线和参考层之间的距离（mil） 由公式可知分子
永远不会比1.0大。信号在微带线中的传播速度永远不会比在带状线（周围是相同的材料） 中慢。公式是从上面是空气下面是电介质材料的简单微带线中得出的。如果是嵌入式微带线， 分子要相对大一些（传播速度要慢一些），但是不会超过1.0这个极限值。
1.2 信号完整性的影响因素
1.2.1 反射 1.2.2 串扰 1.2.3 电源完整性 1.2.4 电磁干扰 1.2.5 插入损耗
第二章 案例分析
2.1 反射案例分析 2.2 串扰案例分析 2.3 电源完整性案例分析 2.4 电磁干扰案例分析 2.5 插入损耗案例分析
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1.1 基本概念
1.1.1 时域和频域
4.差分对的两条线间没有耦合，导致对抗噪声能力下降。与单端相比，线间耦合程度越强， 差分信号就越不容易受到突变和非理想情况的影响
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总结四点：等长/等截面；对称/强耦合。
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➢ 差分对特性
构成一个差分对只需两条传输线，每条线都是简单的单端传输线。两条线合起来称之 为是一个差分对。理论上说，任何两条传输线都可以构成一个差分对。如同单端传输线， 差分对传输线也存在多种横截面形状，理论上，任意两条传输线都构成差分对。但五四种 特性将会优化大带宽差分信号的传输性能。
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。
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第一章 信号完整性基础知识
1.1 基本概念
1.1.1 时域和频域
1.1.2 上升时间 1.1.3 传播时间 1.1.4 阻抗 1.1.5 S参数
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1.1.4 阻抗
在信号完整性起着重要作用的高速数字系统中，常把信号成为变化的电压或者电流。我们 把阻抗定义为电压与电流之比，通常用大写字母Z表示阻抗。Z=V/I这个定义，始终都是正确 的，且式子中的电压、电流和互连线的阻抗这三个基本参量的相互影响决定了所有的信号完 整性效应。
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1.1.4.1 传输线的阻抗 Vsignal
信号路径
Vsignal
返回路径
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
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右图为当随着信号线与返回平面间距的增加，边缘耦合微带线的单端阻抗与差分阻抗的变化情况 。图中微带线宽5mil，两线间距为5mil。用Ansoft的 SI2D仿真
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1.1.5 有损传输线
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。
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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，
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1.1.3 传播时间
➢ 微带线与带状线的传播时间
所有的物质都有一种特性，叫相对介电系数（DK），它反映的是物质存储电荷的能力，信号在物质中的传播速 度（单位：in/ns）可以按照下式计算：
传播速度=
目前用于估算微带线的方法：用周围是相同电介质材料的带状线中的传播时间的变化率来表示微带线中信号传播时
1.1.4.2 过孔阻抗
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The parasitic capacitance The parasitic inductance
D1: The Pad Diameter D2: The Anti_pad Diameter H: The height of via D: The diameter of the via
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。
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➢ 有损传输线对信号的影响
边沿快速变化的信号经过一段长传输线之后，输出信号的上升边将变长。上升边 为80ps的信号在FR4(最常用的玻璃纤维PCB板)上经过10in长、50Ω的传输线仿真图。
输入上升时间为 0.08ns
接收上升时间为 0.173ns
右图可知，
1.有耗传输线的输出波形上升沿变缓以及幅值衰减。
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➢ 特性阻抗
对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻 抗不变时，我们将其称为特性阻抗，特性阻抗在数值上与瞬态阻抗相等，它是传输线的固有属性 ，且仅与材料特性、介电常数和单位长度电容量有关，而与传输线长度无关。