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安捷伦 信号完整性分析 PPT
55.接收性能测试分析23PCI-E 1/2/3、RapidIOPCI-E 1/2/3AGP x8DDR2/3、FBD10/100 EthernetGig Ethernet10 Gig ESCSI SAS1/2Fiber ChannelSAS1/2SATA2/3SATA4’97 ’98 ’99 ‘00 ’01 ’02 ’03 ’Parallel SerialProprietaryIBADatacenter Clusters10 Gig E所有的I/O 总线都向串行发展数据速率越来越快（>1Gbps）上升时间越来越快反射越来越大5要在频域进行数据的分析6+5 VoltSupplyGround+5 VoltSupplyGround7。
¾过孔；8¾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。
9 10典型信号完整性现象3：串行信号眼图问题原因很多：阻抗不连续，损耗阻抗不连续，损耗 (11)眼图概念12串行数据的软件时钟恢复方式138参考: Bell Communications Research, Inc (Bellcore), “Synchrouous Optical Network (SONET) Transport Systems: Common Generic Criteria, TR-253-CORE”, Issue 2, Rev No. 1, December19971415•热噪声(RJ)•占空比失真(DCD)•电源噪声(RJ, PJ)•芯片内部耦合(PJ, ISI)•匹配错误(ISI)另外一个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16，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，而与信号的频率无关。
t rise<t prop delay• 617安捷伦信号完整性测试分析全套解决方案18Receiver M tl b V il A20CardPackage•Matlab, Verilog_A结果测量•TDR and TDT•2-port and 4-port VNA•Eye Diagram•Advanced JitterDecoder ReceiverEqualizerSignal Recovery建模——传输线Account for impedance, delay, conductor loss, dielectric loss, and couplingMultilayer Interconnect Models use a built-in field-solver, and have both layout and schematic representationsMomentum EM simulator for arbitrary planar structures. Has layout and schematic representationsAnalytic models are fast,and have a layout andschematic representation21•2D Via model vertical current•3D Via model vertical and horizontal currents •Advanced Slot Via modeling22频域通道仿真•S-Parameter Measurements•Z-Parameters Measurements•Y-Parameter Measurements•Group Delay23Monte Carlo Simulation Dielectric Constant variation (10%) High Frequency Response Degradation Rise/Fall Performance is EffectedTDR/TDT仿真24I/O驱动+ 互连仿真For illustration purpose we used Virtex-II Pro I/O simulation in this example25Allegro PCB Design Environment ADS design and simulation environment 262D/3D电磁场仿真isolated traceharmonic signal0.4 GHzoutput27S(1,1)isolated traceS(1,2)isolated trace 仿真结果查看——眼图和模板280810001E-3129-400-2000200400-6006000.20.40.60.80.0Time, fsecDDJHistDDJFHistDDJRHist-6-4-20246-88200400600800Time, psecTJHistRJPJHistDDJHist0.20.40.60.80.0 1.0UI308参考: Bell Communications Research, Inc (Bellcore), “Synchrouous Optical Network (SONET) Transport Systems: Common Generic Criteria, TR-253-CORE”, Issue 2, Rev No. 1, December19973132PeriodicJitter (PJ)Data DependentJitter (DDJ)Inter-symbolInterference (ISI)Duty CycleDistortion (DCD)Sub Rate Jitter(SRJ)UncorrelatedPJ33•热噪声(RJ)•占空比失真(DCD)•电源噪声(RJ, PJ)•芯片内部耦合(PJ, ISI)•匹配错误(ISI) 86100C 一键式抖动测试和分析34EZJIT+：基本抖动分析SignalTrendHistogramSpectrum 35EZJIT+：高级抖动分析36s3775050100150200250Actual TJ (ps)Fa数字信号的眼图38眼图模板39串行数据的时钟恢复方式40以恢复的每一个时钟累积显示可到实时眼图同时可以调用模板测试41模板测试有问题，可以定位具体有问题的数据位42以恢复的时钟为基准可以进行8b/10b解码43可以进行串行触发和搜索44并行总线时钟恢复和眼图形成例中：DDR 建立时间/保持时间模板读写分开，隔离3态45创新的图形化触发功能：InfiniiScanZone Qualify “must / must not pass” zonesGeneral Serial Software Trigger can isolate eventsup to 80 bitRunt software finder 46finds Runt signal like the hardware solutionNon-monotonic Edge finder isolates non-monotonic edge no hardware solution canDDR2Read/Write触发–InfiniiScan47READ・WRITE SignalsExisting TogetherWRITE Only Trigger48340MHz 3.4GHz均衡测试结果3.4Gb/s signal49Eye Pattern without Equalizer Eye Pattern with Equalizer示波器和逻辑分析仪集成调试90000系列示波器13 GHz16900系列逻辑分析系统9000系列示波器5016800系列逻辑分析仪5000/6000/7000 便携式示波器100 MHz4、本底噪声是同类仪器的1/3~1/2！52本底噪声是同类仪器的5、触发抖动是同类仪器的1/10；6、40GSa/s 采样下，波形捕获速率比同类仪器快100倍。
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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
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• 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
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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。
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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。
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。
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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。
信号完整性测试PPT课件
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2020/5/30
测试能帮我们做些什么？
▪ 验证
–验证我们的硬件设计是否符合设计要求 –验证我们的信号质量是否达到设计要求：波形，时序，电源 –验证仿真结果和实测结果的一致性：波形，时序，电源 –验证模型的准确性
▪ 调试
–调试的目的：发现问题，解决问题 –问题是否是硬件设计的问题？ –问题是否是器件的原因：驱动能力？模型？ –问题是否是布局布线的问题：拓扑？端接？阻抗？走线长度？串扰？
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均衡和预加重的测试
软件实现均衡:
张开眼图进行显示 (示波 器作为接收端)
让设计人员看到接收端内 部的信号波形情况
我们可以使用80SJNB软件 分析均衡后的信号
针对已知PRBS码型自动获 得 Taps 值
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2020/5/30
抖动、眼图和浴盆曲线
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2020/5/30
抖动、噪声和误码原因分析
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2020/5/30
当前高速芯片接收端都使用了均衡
在发送端是一个 “OPEN”的眼睛
在接收端是一个“CLOSE” 的眼睛
Tx + +
path
--
++
--
path
++
path
--
怎么去测试这个眼图？
++
Rcv
EQUALIZER
--
▪ 我不想在这点去测试信号，因 为我想知道通道对信号的影响
▪ 但是如果我在这点进行测试… …我发现眼图是闭合的
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2020/5/30
探头的选择——等效负载举例
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信号完整性分析 ppt课件
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
24
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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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
Altium Designer 10课件第8章 信号完整性分析
信号完整性分析概念 信号完整性分析规则 信号完整性分析器
8.1 信号完整性分析概述
所谓信号完整性，顾名思义，就是指信号通过信号线传输后仍能保持完整，即仍 能保持其正确的功能而未受到损伤的一种特性。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的能力。当电路中的信号能够以正确的时序、要求的持续 时间和电压幅度进行传送，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时，就出现了信号完整性问题。
“Signal Integrity Model”设定对话框
IC元器件的引脚编辑
8.3.2 在信号完整性分析过程中设定元件的SI模型
Step 1 打开一个要进行信号完整性分析的项目。
Step 2 执行“Tools”（工具） →“Signal Integrity”（信号完 整性）菜单命令后，系统开始 运行信号完整性分析器，弹出 信号完整性分析器。
传输延迟（Transmission Delay） 串扰（Crosstalk） 反射（Reflection） 接地反弹（Ground Bounce）
8.2 信号完整性分析规则设置
在Altium Designer 10的PCB编辑环境中，执行“Design”（设计）→“Rules” （规则）菜单命令，弹出如图所示的PCB设计规则设置对话框。在该对话框中单击 “Design Rules”（设计规则）前面的按钮，选择其中的“Signal Integrity”（信号完 整性）规则设置选项，即可看到各种信号完整性分析的选项，可以根据设计工作的 要求选择所需的规则进行设置。
8.3 设定元件的信号完整性模型
使用Altium Designer 10进行信号完整性分析是建立在模型基础之上的，这 种模型就称为Signal Integrity模型，简称SI模型。
李玉山信号完整性分析34 83页PPT文档
正弦波，而在频域中只表示为一个点
用以下三项就可以充分描述正弦波： 频率； 幅度； 相位。 频率，通常用 f 来表示，是指每秒中包含的完整正弦波 周期数，单位是赫兹。角频率以每秒弧度来度量。弧度像 度数一样，描述了周期的一小部分，一个完整周期的弧度 为 2π。希腊字母ω通常用来表示角频率，以每秒弧度来度 量。正弦波的频率与角频率的关系如下：
仪器信噪比(SNR)高意味着测量质量高。矢量网络分析 仪 (VNA) 的 信 噪 比 在 其 整 个 频 率 范 围 内 应 是 恒 定 的 ， 从 10MHz 到 50GHz 或更高频率，信噪比均为-130dB。
时域反射计(TDR)，有效带宽可高达 10GHz，但信噪比从 低频处的+60dB 降至 10GHz 处的+5dB。
提示 毕竟，时域是客观存在的，我们不能脱离这个基础，除非频域中有求解答 案的捷径。
描述互连电路，常常包括电阻、电感和电容的组合。电 路中这些元件可用二阶线性微分方程描述，这类微分方程 的解就是正弦波。
这类电路中，实际产生的波形就是由上述微分方程的解 所对应的波形组合而成。
实际的电路模型含电阻、电感、电容、传输线。输入信 号是任意波形。电路不同，对输入加工处理的结果也不同。
其中： ω：角频率，弧度／秒 π：常量，为 3.14159... f： 正弦波频率，赫兹
(2.2)
例如，若正弦波的频率是 100MHz，那么它的角频率就等 于 2×3.14159×100MHz～6.3×108 弧度／秒。
幅度是中间值之上的波峰高度的最大值。水平方向之下 和水平方向之上的峰值相等。
相位较复杂些，它给出的是从时间轴起点波的起始位置。 相位以圆周、弧度或度为单位。
此时，在频域中绘制一个正弦波，仅需一个数据点。这 就是要在频域中研究问题的关键原因。
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