信号完整性基础培训课件
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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。
信号完整性基础培训课件(PPT 54张)
B 0 . 8566 ( 0 . 0294 ) ln( W ) ( 0 . 00239 ) H ( 0 . 0101 ) r r
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。
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,也就是通常说的频谱图。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 。
Page3
1. 信号完整性基础知识
时域和频域的关系 频域
（不显示负向变换）
（不显示负向变换）
频域平面
时域平面
频域
时域
1.2 信号完整性的影响因素
第二章 案例分析
反射案例分析 串扰案例分析 电源完整性案例分析 电磁干扰案例分析 插入损耗案例分析
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1. 信号完整性基础知识
1.1 基本概念
1.1.1 时域和频域
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。
XY Plot 2
1000.00
MY2: 880.0000
Circuit1
Curve Info
ANSOFT
信号完整性分析PPT课件
Olica
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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？
30.11.2020
Olica
5
• 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 ppt课件
图0-0 五种PCB及系统级中的互连线条形式
信号完整性分析
• 点到点
• 近、远端簇
• 菊花链
• 周期性加载
图0-1 单个网络的各种互连拓扑情况
图0-2 高速IEEE-1394视频采集系统
物理互连本身的电阻、电容、电感和传输线效应 影响了系统性能。SI分析一书的作者Eric将后果归结
为信四类号SI完问整题：性分析
• 反射(reflection)；
• 串扰(crosstalk)；
• 电源轨道塌陷(rail collapse)；
• 电磁干扰(EMI)。
此种划分系一家之言！该书属入门读物，后两种 涉及不深。
图0-3 四种信号完整性问题图解
图0-4 实际互连的阻抗不匹配示例，多分支更是如此
图0-5 振铃曲线，是由于阻抗不匹配造成的反射所致
• Ansoft: HFSS（高频结构仿真器）、SI2D
信号完整性分析
• 阻抗分析仪； • 矢量网络分析仪(VNA)； • 时域反射仪(TDR)。
1. 阻抗分析仪：频域, 正弦电流源+电压表 (直接测)； 2. 矢量网络分析仪(VNA)：频域, 电压源＋ 电压表(间接测)； 3. 时域反射仪(TDR)：时域, 信号源＋示波器 (间接测)。
升边将增加到100ps。
图0-10 由于有损线造成的上升边退化
信号完整性分析
• 经验法则； • 解析近似； • 数值仿真 (有场和路两种途径)； • 实际测量。
信号完整性分析
• SPICE（侧重IC的仿真程序） • Mentor公司：Hyperlynx • Candence公司：SigXP（SigXplorer） • Agilent公司：ADS
物理互连（Interconnect ）包括四个层次：芯片内连线、芯片 封装、PCB及系统互连。它们决定高速信号、数据和电源质量。 三个高密度载体为：芯片系统SOC、板级系统SOB、封装系统 SOP。
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。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。
精品文档
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。
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
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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。
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导电平面就像一个镜子，镜像电路与原电
路电流方向相反，并以平面对称。这样由
于互感影响，该涡流 会较大的减小原电路
的回路自感。
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电感的物理基础
•
悬空平面越靠近回路，回路的电感就
越小，如下图：
24
传输线的物理基础
• 一、信号 信号总是指信号路径和返回路径之间相
邻两点的电压差，该原则适用于所有传输 线，无论是单端还是差分传输线。
信号完整性分析
通常设计过程是极富直觉和创造性的，要想尽快 完成合格设计，激发关于信号完整性的设计 直觉至关 重要。设计产品的设计师应了解信号完整性如何影响整 个产品的性能。该文档主要介绍 理解和解决信号完整 性问题所需的基本原理，直观定量地给出信号完整性问 题的工程背景知识。
主要参考： 信号完整性分析
• 四、传输线的瞬态阻抗及特征阻抗 传输线的瞬态阻抗并不是PCB上导线的电阻。如
果我们在一根导线上加一个电压，该电压信号从一 端传输到另一端的过程中所受到的阻抗即为瞬态阻 抗，当一定时间后，整根导线上的电源稳定后，导 线表现出的阻抗与瞬态阻抗肯定不一样，稳定后的 电阻才是我们平时所指的电阻。瞬态阻抗仅由传输 线 的两个固定参数决定，即传输线的横截面积和材 料特性共同决定，与传输线的长度无关。计算公式 为（只考虑电容效应的近似计算）：
3
概论
c、返回路径平面上的间隙； d、接插件； e、分支线、T型线或桩线； f、网络末端。 B、网络间的串扰； C、轨道塌陷噪声；
当通过电源和地路径的电流发生变化时，在电 源路径和地路径间的阻抗上将产生一个压降。设计 电源和地分配的目标是使电源分配系统（PDS）的 阻抗 最小 D、来自整个系统的电磁干扰和辐射。
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信号完整性基础 PPT
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 ppt课件
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音，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。
信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。
7
广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源 互连线引起的所有电压、电流不正常现象，包括： 噪声、干扰、时序抖动、数据传输等。
当频率大于1GHz时，介质损耗的增长与频率成正 比，而导线损耗与频率的平方根成正比(注意此处的自 变量为频率)。
FR4的介质损耗危害程度示例：当传输10inch后，上
升边将增加到100ps。
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图0-10 由于有损线造成的上升边退化
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信号完整性分析
• 经验法则； • 解析近似； • 数值仿真 (有场和路两种途径)； • 实际测量。
狭义的信号完整性，是指信号电压(电流)波形的形 状及质量,主要包括反射和串扰。物理互连将其上面 的信号波形变差(退化)，出现了非正常形变，称为信 号完整性被破坏。噪声可以转化为抖动，见DSI2.65式。
信号完整性退化是物理互连设计不当又工作在高 速环境下的直接后果。
8
0.2 互连的范畴
所有电子产品都可以解释为元器件及其互连。说到底，都可以 看作是靠不同层次下互连“编织”成的作品。
31
同层屏蔽线
Gnd
VDD
屏蔽层
Gnd
衬底层(Gnd) 图0-12 芯片内对抗线间串扰的屏蔽措施剖面说明
32
图0-13 为了减小电感，实际PCB去耦电容过孔的安装情况
33
VDD
板线
键合线 芯片内核
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。
信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。
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广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源 互连线引起的所有电压、电流不正常现象，包括： 噪声、干扰、时序抖动、数据传输等。
当频率大于1GHz时，介质损耗的增长与频率成正 比，而导线损耗与频率的平方根成正比(注意此处的自 变量为频率)。
FR4的介质损耗危害程度示例：当传输10inch后，上
升边将增加到100ps。
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图0-10 由于有损线造成的上升边退化
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信号完整性分析
• 经验法则； • 解析近似； • 数值仿真 (有场和路两种途径)； • 实际测量。
狭义的信号完整性，是指信号电压(电流)波形的形 状及质量,主要包括反射和串扰。物理互连将其上面 的信号波形变差(退化)，出现了非正常形变，称为信 号完整性被破坏。噪声可以转化为抖动，见DSI2.65式。
信号完整性退化是物理互连设计不当又工作在高 速环境下的直接后果。
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0.2 互连的范畴
所有电子产品都可以解释为元器件及其互连。说到底，都可以 看作是靠不同层次下互连“编织”成的作品。
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同层屏蔽线
Gnd
VDD
屏蔽层
Gnd
衬底层(Gnd) 图0-12 芯片内对抗线间串扰的屏蔽措施剖面说明
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图0-13 为了减小电感，实际PCB去耦电容过孔的安装情况
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VDD
板线
键合线 芯片内核
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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。
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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
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
【精品课件】信号完整性培训
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
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
第7章 信号完整性分析.ppt
1）设置简便——就像在PCB编辑器中定义设计规则一样定义
《 电
设计参数(阻抗、上冲、下冲、斜率等)。
子
2）通过运行DRC，快速定位不符合设计需求的网络。
线
路
3）无需特殊经验要求，从PCB中直接进行信号完整性分析。
辅 助
4）提供快速的反射和串扰分析。
设 计
5）利用I／O缓冲器宏模型，无需额外的SPICE或模拟仿真知
电 子
一旦发现违规（violation），就会被标记出来（显示为
线 高亮度），提醒注意，同时如果PCB浏览管理器设为违
路
辅 规浏览模式，其中会显示违规的名称和具体内容。
助
设
实时检查并不是有多少规则，就检查多少项，而是
计 只检查设定项目，检查的项目可以调整，这种调整是通
Protel SE
过执行“Tools\Design Rule Check…”命令进行的，在 99 “Design Rule Check…”对话框的“On-Line”标签页中 》 完成。
辅
沿）”对话框，如图7-13所示。
助
设
计
Protel SE
99 》
第7章 信号完整性分析
六、信号基值(Base Value)
基值是信号在低状态时的稳定电压值，示意图见图7-14。该
《
规则定义了允许的最大的基值电压。在图7-3中选择第6项，即
电 子
Base Value项，单击“Add”按钮，弹出“Base Value”对话框，如
第7章 信号完整性分析
Protel 99 SE提供了多种设计规则，用户可对这些
《
设计规则进行重新定义。如图7-29所示。
电
子
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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
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Page13
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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Page17
➢ 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。
（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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Page4
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。
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
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。
What is 城市轨道交通 urban rail trans18
➢ 选择多长的传输线可保证信号上升沿不明显退化
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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Page8
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Page14
➢ 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。
只考虑导体损耗
➢ 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
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Page7
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。
Page5
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
1.2 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
Page2
1.1 基本概念
1.1.1 时域和频域
Page9
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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Page16
1.1.5 有损传输线
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。
Page15
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。
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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Page11
➢ 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。
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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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
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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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➢ 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。
（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。
1.1.4.2 过孔阻抗
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D1: The Pad Diameter D2: The Anti_pad Diameter H: The height of via D: The diameter of the via
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
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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➢ 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。
只考虑导体损耗
➢ 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
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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。
Page5
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
1.2 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
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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
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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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。
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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Page11
➢ 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。
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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