信号完整性分析第一讲共54页
信号完整性分析
10 nS = 100 MHz
These two driver waveforms have the same period, yet the upper signal will create more high speed design problems.
11
Signal Integrity - 101
Signal Integrity - 101
Crosstalk and Stackup
P S P
Stripline
Stripline will have less crosstalk than an equivalent microstrip configuration, because the signal has two power planes to couple to
Crosstalk Timing and Magnitude
t1 t2
Backward crosstalk saturates & the induced pulse gets longer as coupled length increases
19
Forward crosstalk lasts as long as the driver’s edge; magnitude increases as coupled length increases; eventually saturates
Ln
...
l1
8
Cn
l2
ln
Total Inductance L = L1 + L2 … + Ln
Total Capacitance C = C1 + C2 … + Cn
信号完整性分析PPT课件
Olica
4
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。
30.11.2020
Olica
10
SI简介
• 数据采样及时序例子
30.11.2020
Olica
11
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。
30.11.2020
Olica
3
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。
30.11.2020
30.11.2020
Olica
7
SI简介
• 理想逻辑电压波形
30.11.2020
Olica
8
SI简介
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：
信号完整性分析
一所要面临的问题二一些有用的常识三电感电容及电阻的基础以及要注意的问题四传输线的问题以及反射等问题五有损线的损耗六差分信号和查分对的问题一所要面临的问题一单一网络的信号完整性二两个或多个网络间的串扰三电源和地分配中的轨道塌陷四来自整个系统中的电磁干扰和辐射一个重要的概念1：带宽的问题（注释2）对任意一个非理想的方波信号而言（电子系统这种波形非常常见，比如系统的时钟），该信号均可认为是由同频率的基波信号和高次谐波叠加而成。
假设一个1GHz 的时钟它是有1G 的基波加3次谐波再加5次谐波再加7次谐波组成的。
那个这个时钟信号的带宽就是7G.如果加到31次谐波了，那么这个信号的带宽就是31G。
随着叠加的谐波数越多叠加后的信号就越接近完美的方波。
换句话说那就是10%到90%上升时间越小。
可见信号的上升时间决定了信号的带宽。
这样确定系统时钟的上升时间就非常重要了。
为什么上升时间会这么重要呢？下面举例说明：大多数电路板而言会采用FR4板材，FR4板并非理想的无耗板材。
损耗的机理有两种第一导体损耗，第二介质损耗。
比损耗更为严重的是损耗对不同频率信号的损耗是不同，因为在物理上这涉及到介质充放电过程的快慢以及带来的损耗。
对一个4英寸（4000mil）的FR4传输线而言，这样的导线对8GHz的信号损耗达到能量的50%或幅值的70%.试想如果用这样的线去传导一个带宽为9G的1GHz的方波会怎样？结果就是组成这个方波的信号中九次谐波分量被严重损耗，而其他谐波分量也将不同成度的损耗。
这就导致方波的上升沿退化，比如原来上升边是50ps变成了1.5ns。
如果传输的信号频率是10MHz影响不大。
如果传输信号是500M，（2ns的周期）这下麻烦就大了去了。
下面引入带宽和上升时间的关系这是一个近似的经验上的估计：对于10%到90%上升时间来讲关系为：BW=0.35/RT(RT为10%到90%上升时间)也有一些资料给的上升时间是20%-80%上升时间。
信号完整性分析第一讲
• 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
0.3 信号完整性分类
信号完整性讨论的主要对象是数字信号，人们 谈的只有数字信号完整性，一般不说模拟信号的 完整性。这是由于数字信号的非理想退化而呈现 的一种模拟效应。主要内因是非常短的数字信号 前后沿(简称前沿)包含大量丰富的高频成分。 按照通常的说法，目前信号完整性研究主要分 为芯片和PCB两个着力点。二者原理上相通、技 术上有别。 SI的分析和测量，有时域和频域两类视点和 途径。
电路图给出元器件及其互连关系。而同一个网络，电属性相 同，其互连拓扑关系可能如下：点到点；星簇 (star cluster)是每
个器件通过长度相等的传输线连接到中心节点上；菊花链 (daisy
chain) 是一条长传输线从每个器件附近经过，器件通过短桩线连 在主传输线上。
• 点到点
• 近、远端簇
• 菊花链
SOP。
各层次真实的互连线有：芯片内各种连线及孔、压焊点、封装 引线、引脚；PCB板的线接头、线条、过孔、接插件；各种连 接电缆。此外，还涵盖各种无源元件；电阻、电容、电感；以 及介质、基板、屏蔽盒、机箱、机架等。而各个层次的器件则 另当别论。把它们看作驱动源和接收器宏模型。
图0-0
五种PCB及系统级中的互连线条形式
在每个转换端口需要10万个以上的晶体管来实现有效的串并并串转换及对抗信号变形失真的预加重有源均衡和传输线中的rc无源均衡技49同层屏蔽线gndddgnd屏蔽层衬底层gnd图012芯片内对抗线间串扰的屏蔽措施剖面说明50图013为了减小电感实际pcb去耦电容过孔的安装情况51去耦电容dd芯片内核gnd图014去耦电容消除地弹仍不如芯片内去耦52图015电缆外加装扼流圈防止emi
信号完整性ppt课件
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。
23
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。
11
信号完整性分析教程signal_Integrity
3
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。
17
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
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]
信号完整性分析培训课件
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。
精品文档
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。
精品文档
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。
精品文档
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。
精品文档
信号完整性分析器
精品文档
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。
精品文档
信号完整性分析规则设置
第9章-信号完整性分析
清华大学出版社
2019/4/8
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 2019/4/8
在系统默认状态下，信号完整性分析规则没有定义。 当需要进行信号完整性分析时，可以将光标移到【 Signal Intergity】选项中的某一项上，单击鼠标右键 ，弹出快捷菜单，如图9-14所示，选中【新建规则】命 令，即可建立一个新的分析规则。然后双击建立的分析 规则，即可进入规则设计对话框。
本实例要求对“C:\Program Files Altium2004\Examples\Reference Design\4 Port Serial Interface\4 Port SerialInterface.PPJPCB” 添加信号完整性模型。
Page 10 2019/4/8
清华大学出版社
9.4 信号完整性分析设定
Page 8 清华大学出版社 2019/4/8
9.2 信号完整性分析注意事项
为了得到精确的分析结果，在进行信号完整性分析 前，需要注意以下几点: 设计文件 集成电路 电源网络 设定激励源 层堆栈设置正确 每个元器件的信号完整性模型必须正确。
Page 9
清华大学出版社
2019/4/8
第9章 信号完整性分析
9.1
9.2
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