信号完整性含义表
信号完整性分析
信号完整性分析信号完整性背景信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。
当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。
新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。
随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。
在高速PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。
信号完整性含义信号完整性(Signal Integrity)简称SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。
即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，就出现了信号完整性问题。
从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:（1）延迟。
延迟是指信号在PCB 的导线上以有限的速度传输，从驱动端到接收端存在的传输延时。
信号的延时会对系统的时序产生影响，在高速PCB 设计中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。
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
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
信号完整性分析在高速数字系统中 的应用
信号完整性分析在数字信号处理系 统中的应用
高速数字接口设计
应用场景：高速数字接口设计是信号完整性分析的重要应用场景之一
设计目标：保证信号传输的稳定性和可靠性
设计挑战：高速数字接口设计面临着信号传输速度、信号完整性、信号干扰等问题
建立信号完整 性分析的数学 模型
验证模型的准 确性和可靠性
优化模型，提 高分析结果的 准确性和可靠 性
仿真分析
仿真模型搭建：根 据实际电路搭建仿 真模型
仿真参数设置：设 置仿真参数，如频 率、阻抗等
仿真结果分析：分 析仿真结果，如信 号质量、时延等
仿真优化：根据仿 真结果进行优化， 如调整电路参数、 增加滤波器等
结果解读与优化建议
结果解读：根据分析结果，判断信号的完整性 优化建议：针对分析结果，提出针对性的优化方案 实施方案：根据优化建议，制定实施计划并执行 效果评估：对优化后的信号进行再次分析，评估优化效果
信号完整性分析的 应用场景
高速数字系统设计
信号完整性分析在数字电路设计中 的应用
信号完整性分析在数字通信系统中 的应用
信号完整性分析的 流程
确定分析目标
确定信号完整性分析的目标， 如提高信号传输质量、降低信 号干扰等
确定分析的范围，如系统级、 模块级、芯片级等
确定分析的指标，如信号传输 延迟、信号抖动、信号失真等
确定分析的方法，如仿真分析、 实验验证等
建立模型
确定信号完整 性分析的目标 和需求
收集和分析信 号完整性相关 的数据
添加副标题
信号完整性分析
汇报人：
信号完整性介绍
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）。
第二讲——信号完整性
高速数字电路的特征（续4）
图中表示用傅立叶展开式来拟合方波的情况。当用5阶波形叠加时，其 信号与原方波还有明显的差别；若用10阶波形叠加时，则与原方波相பைடு நூலகம்差无几；若再用20阶的波形叠加的话，其改善程度已经不明显。所以 对方波信号的分析一般到10倍 f。（f。为方波的基频）即可。
信号分类
单端信号 差分信号 一次开关（Incident switching） 反射开关（Reflected switching）
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。
2. 上升/下降沿时间 信号是否被看作为高速信号，和信号的周期关系不大。只要信号的 上升沿或下降沿很陡，它都有可能是高速信号。当然如果信号的周 期较短，其上升下降沿必然很陡，当然也就是高速信号了。
信号完整性的基本概念
信号完整性的基本概念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（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。
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(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。
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
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。
SI
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。 矢量网络分析仪在频域工作。每个接头或端口发出一个正弦 电压，频率范围从几 KHz 到 50GHz，在每个频率点测量入射电压 的幅度与相位以及反射的幅度和相位。 时域反射仪(TDR)在时域工作。发射快速上升的阶跃信号， 上升边为 35ps 到 150ps，然后测量反射的瞬态幅度。
高速电路与系统互连设计中
信号完整性(SI)分析
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
0.0 信号完整性含义
英文中的人格完整性(personal integrity)，指正直、忠 诚、完美。中文没有，但可以对“完整”这一词义加以类比。 其他还有电源完整性、数据完整性、热完整性等。 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。 信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。
●有损传输线引起数据完整性(DI)问题 有损传输线引起上升边退化，从而引起符 号间干扰或ISI，造成数据不完整问题。 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的介质损耗对当传输10inch后，上升边 将增加到100ps。
信号完整性(SI)可以泛指由互连线引起的所有信
图讲信号完整性
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。
信号完整性基础
信号完整性基础入门手册入门手册目录信号完整性描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3数字技术和信息时代⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3逐渐增长的带宽为数字系统设计带来的挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 - 4信号完整性概念回顾⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 - 8数字信号时序产生的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5隔离模拟故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6眼图：快速鉴定信号完整性问题的捷径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8信号完整性测量需求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 - 25使用逻辑分析仪发现逻辑信号故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9逻辑分析仪探头方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10使用示波器揭秘模拟信号故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12示波器探测解决方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16使用实时频谱分析仪进行频域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17利用集成测量工具识别信号完整性问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19简化复杂的抖动测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20使用时域反射仪进行关键的阻抗测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22信号发生器构建完整的测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯262 /signal_integrity信号完整性基础信号完整性描述根据定义，“完整性”是指“完整和无损害的”。
信号完整性分析
信号完整性分析《信号完整性分析》作者以实践专家的视角提出了造成信号完整性问题的根源，特别给出了在设计前期阶段的问题解决方案。
这是面向电子工业界的设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书，其目的在于帮助他们在信号完整性问题出现之前能提前发现并及早加以解决，同时也可作为相关专业本科生及研究生的教学指导用书。
作品目录第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1.6 信号完整性的两个重要推论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 模型和建模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 小结第2章时域与频域2.1 时域2.2 频域中的正弦波2.3 频域中解决问题的捷径2.4 正弦波特征2.5 傅里叶变换2.6 重复信号的频谱2.7 理想方波的频谱2.8 从频域到时域2.9 带宽对上升时间的影响2.10 带宽及上升时间2.11 “有效的”含义2.12 实际信号的带宽2.13 带宽和时钟频率2.14 测量的带宽2.15 模型的带宽2.16 互连线的带宽2.17 小结第3章阻抗和电气模型3.1 用阻抗描述信号完整性3.2 阻抗的含义3.3 实际和理想的电路元件3.4 时域中理想电阻的阻抗3.5 时域中理想电容的阻抗3.6 时域中理想电感的阻抗3.7 频域中的阻抗3.8 等效电气电路模型3.9 电路理论和SPICE3.10 建模简介3.11 小结第4章电阻的物理基础4.1 将物理设计转化为电气性能4.2 互连线电阻的最佳近似4.3 体电阻率4.4 单位长度电阻4.5 方块电阻4.6 小结第5章电容的物理基础5.1 电容中的电流流动5.2 球面电容5.3 平行板近似5.4 介电常数5.5 电源、地平面和去耦电容5.6 单位长度电容5.7 二维场求解器5.8 有效介电常数5.9 小结第6章电感的物理基础6.1 电感的含义6.2 电感定律之一:电流周围将形成闭合磁力线圈6.3 电感定律之二:电感是导体上流过单位安培电流时,导体周围磁力线圈的韦伯值6.4 自感和互感6.5 电感定律之三:当导体周围的磁力线圈匝数变化时,导体两端将产生感应电压6.6 局部电感6.7 有效电感、总电感或净电感及地弹6.8 回路自感和回路互感6.9 电源分布系统和回路电感6.10 单位面积的回路电感6.11 平面和过孔接触孔的回路电感6.12 具有出砂孔区域的平面回路电感……第7章传输线的物理基础第8章传输线与反射第9章有损线、上升边退化和材料特性第10章传输线的串扰第11章差分对与差分阻抗附录A 100条使信号完整性问题最小化的通用设计原则附录B 100条估计信号完整性效应的经验法则附录C 参考文献附录D 术语表心得体会1.信号完整性分析概论1.1信号完整性的含义广义上来说，信号完整形式指，在高速产品设计中由互连线引起的所有的问题。
信号完整性基础培训课件(PPT 54页)
LL='8000mil'
d(m7,m8) 0.3528
V(Vl) NexximTransient
400.00
接收上升时间为
0.173ns
Circuit1 ANSOFT
Curve Info V(Vl)
NexximTransient
0.20 m1
200.00 m1
MY1: 97.7000
0.00
0.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
Time [ns]
0.00
1.00
2.00
3.00
1. 信号完整性基础知识
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：
I Q t C xV CL x xvV CLvV v
ZV IC L V vV C 1 L vC 8L3r
瞬态阻抗 信号的速度 信号的电压
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，
4.00
5.00
Time [ns]
信号完整性分析第五讲
当反射波返回源端时即被吸收，不再形成振铃。因此，终
端波形为 1V 的阶跃函数。
8.4
求解驱动源内阻抗
典型的 CMOS 器件，内阻在 5Ω到 20Ω之间。TTL 门的
阻抗高达 100Ω。当反射波最终到达源端时，它将源端的输
出阻抗作为瞬态阻抗。
播，同时另一个也是 1V 信号，但它向相反的方向传播。测
量开路端的电压，得到这两个电压之和，即 2V，如图 8.4
所示。
reflected ──反射
incident── 入射
measured ──测量
图 8.4 如果区域 2 是开路，则反射系数为 1。此时开路处有两个
方向相反的波相叠加
提示
经常说信号到达传输线的末端时，其值翻倍。从数值上这是正确的，可实
短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之和，
即 1V + -1V＝0。这是合理的，因为如果此处是严格按定义
规定的短路，短路点两侧不可能有电压差。此处电压为 0V
的原因就是它是从源端出发的正向行波和返回源端的负向
行波之和。
最后一种特殊情况是传输线末端所接阻抗与传输线的
特性阻抗相匹配。如果传输线的末端连接 50Ω电阻，则反
图 8.6 给出了 1V 入射信号在终端测得的电压值。
Voltage Across Termination, v ──终端负载两端的电压，v
Termination Impedance, Ohms ──终端阻抗，
图 8.6
1V 入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和
一般而言，采用源端匹配较好，为什么？假设源端不匹
(8.7)
信号完整性
信号完整性研究：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。
信号完整性问题概述 信号完整性问题概述
查看文章信号完整性分析2009-06-08 10:32信号完整性问题概述信号完整性（Signal Integrity ，简称SI ）是指信号在电路中以正确对信号线上信号质量的描述。
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 ，反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换mass_ping的空间延迟——延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系的长度和导线周围介质的介电常数。
反射——当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
串扰——由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutua 件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。
同步切换噪声——当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU 于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出和地弹的强度也取决于集成电路的IO特性、PCB板电源层和地平面层布局和布线方式。
电磁兼容性——同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题布线方式有关。
为什么要做信号完整性分析过去，在系统时钟低于50MHz的电路板设计中，信号完整性(SI)问题修改就可消除SI问题或将其影响降至最低。
但是随着集成电路输出开关信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。
元器件和上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系作。
越来越多的设计工程师发现SI问题的成因不仅仅是高速设计。
真正的而是驱动器上升和下降时间的缩短。
随着工艺技术的进步及IC制造商们所生产的标准元件具有更小的裸片尺寸和越来越快的边缘速率。
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。
第9章-信号完整性分析
Page 11
清华大学出版社
2018/12/5
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
Page 12 清华大学出版社 2018/12/5
Page 7 清华大学出版社 2018/12/5
为了更好地进行信号完整性分析，设计者在电路板系 统设计过程中，应当特别注意以下几点： 1. 将对噪声敏感的元器件进行物理隔离； 2. 尽量使线路阻抗匹配以及对信号进行反射控制； 3. 采用独立的电源及地电平层； 4. PCB布线避免走直角； 5. 同一组信号线尽量保持在走线上等长； 6. 在高速电路设计中，相邻的两条信号线的间距应符合 3W规则，即间距为信号线宽度W的三倍； 7. 选择容值足够大、阻抗低的旁路电容，对电源进行退 耦处理； 8. 将PCB板中的元器件进行合理布局。
9.3 添加信号完整性模型
Protel DXP提供了两种添加信号完整性模型的方法： 通过【Model Assignments】（模型配置）对话框进行 添加，该方法是向设计中添加信号完整性模型最简单 的方法； 手动方式进行添加，该方法利用【元件属性】对话框 来完成信号完整性模型的添加。 【实例9-1】 利用【Model Assignments】（模型配置）对 话框添加信号完整性模型。
传输时间过长 传输线距离过长， 替换或重新布线， 使用阻抗匹配的 没有开关动作 检查串行端接 驱动源，变更布 线策略
- 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)。
1
Characteristic impedance
2 3 4 5
Insertion loss Return loss NEXT FEXT S parameter SDD21 S parameter SDD11 S parameter SDD22 S parameter SCC11 S parameter SCC22 Delay Intra-pair Skew Inter-pair Shew differential impedance common mode impedance Eye-pattern (data rate) Eye-pattern (pattern ) Eye-pattern (voltage) SDR DDR QDR
HS product test item
Item Test item Remark
特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信 号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建 立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一 个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大 小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径 上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有： 介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。 在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件或器件 插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。 又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。 电缆链路中一对线与另一对线之间的因信号耦合效应而产生的串扰。 从链路近端某一个线对发送的信号经过该电路衰减,在链路远端干扰相邻其他接受线对的串扰 信号,即在链路远端经链路衰减了的串扰。 差分插入损耗 差分回波损耗 差分回波损耗 共模回波损耗 共模回波损耗 是指帧从网络上一个端口进入到从另一个端口出去，所花费的时间。 是指输入差分信号下，同一对线内两导体之间Singel-end delay的差值。 是指两对线之间信号传输的延迟差。 差分对是指一对存在耦合的传输线，采用两条信号线让差分信号以差分对载体进行传输，差 分信号感受到的阻抗即差分阻抗，电压与电流的比。 共模信号是两信号线电压的平均值，根据阻抗的基本定义，共模信号受到的阻抗是每条信号 线特性阻抗的并联。 示波器屏幕上所显示的数字通信符号,由许多波形部分重叠形成，其形状类似“眼”的图形。“眼 ”大表示系统传输特性好；“眼”小表示系统中存在符号间干扰。单位时间内在信道上传输的信 息量（比特数）称为数据速率。
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
single data rates dual data rates quad data rates
Hale Waihona Puke