信号完整性的一些基本概念汇总
信号完整性介绍
信号完整性基础知识术语、符号和缩略语术语1．信号完整性（Signal Integrity）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。
2．传输线（Transmission Line）传输线是一个网络（导线），并且它的电流返回到地或电源。
3．特性阻抗（Characteristic Impedance）组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输时，信号的跃变电压（V）和跃变电流（I）的比值称为特性阻抗（Z0），即Z0=V/I。
4．反射（Reflection）反射就是在传输线上的回波。
信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。
如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。
5．串扰（Crosstalk）串扰是两条信号线之间的耦合。
信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
6．过冲（Overshoot）过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。
对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压。
过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。
7．下冲（Undershoot）下冲是指下一个谷值或峰值。
过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。
8．电路延迟指信号在器件内传输所需的时间（T pd）。
例如，TTL的电路延迟在3 ~ 20nS 范围。
9．边沿时间器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间（信号波形的10~90%），通常表示为上升沿（T r）。
器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间（信号波形的90~10%），通常表示为下降沿（T f）。
10．占空比偏斜信号传输过程中，从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间的差别，称为占空比偏斜。
TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其输出的上升沿和下降沿延迟不同。
信号完整性分析与优化
信号完整性分析的方法
▪ 电磁场分析
1.电磁场分析是通过求解麦克斯韦方程组来分析信号在传输过程中的电磁场分布和 耦合情况。 2.电磁场分析方法可以评估信号的电磁辐射、串扰和电磁兼容性等参数，适用于分 析和优化高速数字系统和复杂电磁环境下的信号传输性能。 3.通过电磁场分析，可以优化系统的布局和布线设计，降低电磁干扰和提高信号的 传输质量。
▪ 时钟同步技术
1.时钟同步的重要性：时钟同步对保证系统稳定性和数据传输的准确性至关重要。 2.时钟同步的方法：通过采用全局时钟、分布式时钟等方式，可以实现时钟同步。 3.时钟同步的评估：需要通过测试和仿真来评估时钟同步的效果，确保系统性能得 到提升。
▪ 信号均衡技术
1.信号均衡的作用：信号均衡可以补偿信号传输过程中的损耗和失真，提高信号质 量。 2.信号均衡的方法：通过采用线性均衡器、非线性均衡器等措施，可以实现信号均 衡。 3.信号均衡的评估：需要通过测试和仿真来评估信号均衡的效果，确保系统性能得 到提升。
时钟完整性分析
▪ 时钟抖动的分析和优化
1.时钟抖动是衡量时钟信号稳定性的重要指标。 2.通过分析时钟抖动的来源，可以采取相应的优化措施。 3.采用先进的抖动测量和分析工具可以提高优化效率。
▪ 时钟完整性的验证和测试
1.时钟完整性的验证和测试是确保系统稳定工作的重要环节。 2.采用合适的测试方法和工具可以检测出潜在的时钟问题。 3.对测试结果进行详细的分析和解释，可以为优化设计提供有价值的参考。
信号完整性的基本概念
信号完整性问题的来源
1.信号完整性问题可能来源于系统硬件、软件和环境等多个方面。 2.硬件方面的来源包括传输线效应、电源噪声、接地问题等。 3.软件方面的来源包括算法缺陷、数据处理错误等。环境方面的来源包括温度、电磁干扰等。
信号完整性分析
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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
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信号完整性分析
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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）。
《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
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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
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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
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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
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提高系统稳定性和性能
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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
信号完整性复习
第一章概论狭义的信号完整性（SI），是指信号电压（电流）完美的波形形状及质量。
广义的信号完整性（SI），指在高速产品中，由互连线引起的所有信号电压电平和电流不正常现象，包括：噪声、干扰和时序等。
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。
信号无失真：信号经过一个系统后，各个参数被等比例地放大或缩小。
高速的含义：（严格地，高频不一定高速，低频也不一定低速）当系统中的数字信号的上升边小于1ns或时钟频率超过100MHz时，我们称之为高速运行。
物理互连的电阻、电容、电感和传输线效应影响了系统性能。
作者Eric将后果归结为四类SI问题：反射(reflection)；串扰(crosstalk)；电源噪声（同步开关SSN、地弹、轨道塌陷）；电磁干扰(EMI)。
反射(reflection)是指传输线上有回波。
信号功率（电压和电流）的一部分经传输线上传输到负载端，但是有一部分被反射回来形成振铃（ringing），振铃就是反复出现过冲和下冲。
（过冲是指第一个峰值或谷值超过设定电压；下冲类似）。
振铃现象实际上是由阻抗突变产生的反射引起的。
减小阻抗突变问题的方法就是让整个网络中的信号所感受的阻抗保持不变当信号从驱动源输出时，构成信号的电流和电压将互连线看做一个阻抗网络。
当信号沿网络传播时，它不断感受到互连线引起的瞬态阻抗变化。
如果信号感受到的阻抗保持不变，则信号就保持不失真。
一旦阻抗发生变化，信号就会在变化处产生反射，并在通过互连线的剩余部分时发生失真。
如果阻抗改变的程度足够大，失真就会导致错误的触发。
串扰crosstalk)是指两个不同的电性能网络之间的相互作用。
通常，每一个网络既产生串扰，也会被干扰。
电源噪声主要指同步开关噪声（SSN）。
地弹是返回路径中两点之间的电压，它是由于回路中电流变化而产生的。
SI基础概念
什么是信号完整性信号完整性（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。
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。
《信号完整性培训》课件
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。
信号完整性名词解释
信号完整性名词解释1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。
信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线, 检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为Victim。
通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（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（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。
印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。
信号完整性分析概论
11.总结
7.测量无源器件和互连线的电气特性的仪器一般有三种：阻抗分 析仪、网络分析仪和时域反射仪； 8.这些仪器对减小设计风险、提高建模仿真和仿真过程精度的可 信度起着重要作用： 9.理解这些时钟信号完整性问题可以得出消除这些问题的最重要 的方法： 信号质量——信号在经过整个互连线时所感受到的阻抗应相同； 串扰——保持线条见的间隔大于最小值，并使线条与非理想返回 路径的互感最小； 轨道塌陷——使电源/地路径的阻抗和I噪声最小； 电磁干扰——使带宽以及地阻抗最小，采取屏蔽措施。
良好的屏蔽来弥补； 4.I/O接头的阻抗，特别是返回路径连接件的阻抗，会严重影响能产生辐射电流的
噪声电压，使用低阻抗连接的屏蔽电缆线是减小EMI问题的有效办法。
3.信号完整性的两个重要推论
1.随着上升边的减小，这四种问题（网络的信号质量、串扰、轨道塌 陷噪声和电磁干扰）都会变更严重。
前面所有的信号完整性问题都是以电流或电压变化速度来衡量的， 通常指的是dI/dt或dV/dt，上升边越短意味着dI/dt或dV/dt就越大。
单一网络的信号质量与信号路径和返回路径的物理特征都有很大的关系 。主要的表现就是网络中信号传输路径的阻抗发生突变，减小阻抗突变问题 的方法是让整个网络中的信号所感受到的阻抗保持不变。
信号所感受到的阻抗发生变化的情况： 1.线宽变化； 2.层变化； 3.返回路径平面上的间隙； 4.接插件； 5.分支线、T型线和桩线； 6.网络末端。
2.四类特定噪声源
4.电磁干扰EMI
EMI是指电子产品工作会对周边的其他电子产品造成干扰，EMI问题随着时 钟频率的提高而解决难度加大。
电磁干扰问题三个方面：噪声源、辐射传播路径和天线。
最常见电磁干扰源： 1.一部分差分信号转换成共模信号，最终在外部的双绞电缆线上输出； 2.电路板上的地弹在外部单端屏蔽线上产生共模电流，附加的噪声可以由内部
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
信号完整性信号完整性是指信号在传输路径上的质量，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。
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。
目前一般讨论的信号完整性基本上以研究数字电路为基础，研究数字电路的模拟特性。
主要包含两个方面：信号的幅度(电压)和信号时序。
与信号完整性噪声问题有关的四类噪声源：1、单一网络的信号质量2、多网络间的串扰3、电源与地分配中的轨道塌陷4、来自整个系统的电磁干扰和辐射当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。
当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题。
信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。
一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。
元器件和PCB 板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。
阻抗不连续引起的信号反射导致信号完整性问题保证阻抗一致连续性的策略1.仔细设计系统叠层结构，按一致阻抗设计原则来决定各个布线层传输线的物理和几何参数，达到期望阻抗。
2.仔细设计信号回流路径，保证回流路径完整性，为传输线提供一致的参考平面。
3.按阻抗匹配设计原则，在传输路径的适当位置放置匹配电阻来控制反射。
4.仔细设计整个传输路径的拓扑结构，尽量减小分支数量和减小STUB线的长度。
（分支，并联，阻抗不匹配）3W原则：如果两导线间的间距大于线宽3倍以上，可以忽略耦合影响。
信号完整性总结
2.信号完整性问题一般分为四种：单一网络的信号质量、相邻网络间的串扰、轨道塌陷和电磁干扰。
6.使用三种级别的分析来计算电气效应——经验法则、解析近似和数值仿真工具，这些分析可以应用于建模和仿真。
7.测量无源器件和互连线的电气特性的仪器一般有三种：阻抗分析仪、网络分析仪、时域反射计。
这些仪器对减小设计风险、提高建模和仿真过程精度的可信度起着重要作用。
8.四种信号完整性问题的一般解决方法，信号质量（设计原则）：信号在经过整个互连线时所感受到的阻抗应相同。
串扰：保持线条间的间隔大于最小值，并使线条与非理想返回路径间的互感最小。
轨道塌陷：使电源/地路径的阻抗和电流噪声最小。
电磁干扰：使带宽以及地阻抗最小，采取屏蔽措施。
4. 数字信号的上升时间通常是从终值的10%到90%的时间。
5. 正弦波是频域中惟一存在的波形。
6. 傅里叶变换是将时域波形变换成由其正弦波频率分量组成的频谱。
7. 理想方波的频谱的幅度以速率1/f下降。
8. 去掉方波中的较高频率分量，上升时间就会增加。
9. 与同频率理想方波的同次谐波相比，一般信号的带宽是指“有效”的最高正弦波频率分量。
10. 信号带宽是0.35/(信号的上升时间)，一个经验公式。
12. 测量带宽是指有良好精度时的最高正弦波频率。
13. 模型的带宽是指采用该模型描述后的预测值与互连线的实测性能能很好吻合时的最高正弦波频率。
14. 互连线带宽是指互连线传输性能满足指标时的最高正弦波频率。
15. 互连线3dB带宽指的是信号衰减小于—3dB时的正弦波频率。
1.阻抗是一个描述所有信号完整性问题及解决方法的很有效的概念。
2.阻抗描述了互连线或元件中电压和电流的。
从根本上说，它是器件两端的电压与流经器件的电流之比。
3.不要把构成实际硬件的真实电路元件相混淆，理想电路元件是对真实世界的近似数学描述。
6.虽然阻抗的定义在时域和频域中是相同的，但是在频域中总结电容电感的描述方法则更简单更容易。
信号完整性设计基础
23
信号完整性—关键点
• 耦合间距
阻抗与其相关； 串扰的关键点； 总之，没关系的走线越远越好。
• 阻抗
决定反射程度； 阻抗要连续。
24
信号完整性—PCB
• 速率-高速/普通 • 成本 • Dk：介电常数，越小越好； • Df：损耗角正切（损耗因子），越小越好； • 稳定性：频率、温度和湿度等。
25
优势：抗干扰。
根源：同进同出，且无串扰。
20
主要内容
一、信号完整性概述 二、信号完整性问题分类 三、 信号完整性实例分析 四、信号完整性测量
五、信号完整性设计
21
信号完整性—关键点
• 频率-带宽、信号上升时间 • 耦合长度-信号路径长度 • 耦合介质-介电常数、损耗角度正切 • 耦合间距 • 阻抗-由耦合间距、耦合介质决定
FR4带状线， εr =4.4， Tanδ =0.018，1G时损耗为-3dB/m，
10G时为-34dB/m。
11
• 信号传输 —导体损耗
随着频率升高，电流由于趋肤效应集中在导体表面， 受到的阻抗增大，能量以热能耗散，同时，铜箔表面 的粗糙度也会加剧导体损耗。
趋肤深度
µ为磁导度、√f成正比。
Td=1/4Tr，反射噪声为25%； Td=1/5Tr，反射噪声为12.5%； Td=1/6Tr，反射噪声为5%；
18
• 信号传输 —串扰
根源：传输线的特征，电容和电感耦合。
容性串扰：
Zv为受害线阻抗。
感性串扰：
Zd为驱动线阻抗。
串扰噪声与驱动信号的压摆动率、耦合长度和间距相关。
19
• 信号传输 —差分信号
27
主要内容
一、信号完整性概述 二、信号完整性问题分类 三、 信号完整性实例分析 四、信号完整性测量
第二讲——信号完整性
信号完整性问题（续1）
通常示波器所观察到的数字信号。
信号完整性问题（续2）
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。 • Plateau指信号在上升过程中的平台。 • NMH指逻辑为高信号的噪声余量。 • NML指逻辑为低信号的噪声余量。
4. 数字方波的频谱 数字方波信号的分析最起码要达到5倍f0（f0为方波的基频）。
高速数字电路的特征（续1）
图中演示的是信号的上升时间以及信号沿传输线由输出端到输入端的 传输延迟距离。
高速数字电路的特征（续2）
图中的公式为方波的傅立叶展开，其中T为方波信号的周期，t 为方波 信号的上升/下降时间，TW为方波信号的脉宽。 一般来说如果分析到10 f0，那么傅立叶拟合就比较接近真实情况。
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。
信号主要分为一下几类： 1. 单端信号
单端信号包括 TTL、 CMOS、 SSTL、 GTL等。单端信号比较通用， 且实现成本低。 2. 差分信号 差分信号包括 PECL、 ECL、 LVDS、 CML等。差分信号高速性能 好，电流也比较小。 由于电源层可以滤波和地层不可以滤波，单端信号中的同步开关噪 声的地电流形成地弹电压无法避免；而差分信号对同步开关噪声不 敏感。 3. 一次开关（Incident Switching） 即第一波就超过阈值。 4. 反射开关（Reflected Switching） 第一波不能超过阈值，靠反射超过阈值。
信号完整性培训
tr
tf
上冲又被称为过冲。顾名思义，它指的是沿着信号边沿的跳变方向，信号波形中超出稳定的“1”或 “0”状态电平的部分。 对于上升沿，这应是从“0”到“1”的跳变，在高电平处高于逻辑电平“1” 稳定电压值的部分。 对于下降沿，这应是从“1”到“0”的跳变，在低电平处低于逻辑电平“0” 电压稳定值的部分。
NM H VOH min VIH min NM L VIL max VOL max
这里有两个噪声容限定义：NMH表示高电平状态时的噪声容限, NML表示低电平状态时 的噪声容限。
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二. 信号完整性
信号完整性讨论是为了确保可信的高速数据传输。在高速数字系统设计时，人们经 常会问到这样的问题：传输到目的地的信号是否如同人们所预期的那样？或者说：当信 号到达时是否处于良好的状态？ 信号完整性涉及到两个方面：信号波形的完整性和时序的完整性。 信号波形的完整性：
集总模型 直流模型
4.直流系统
最后，当电路进入“直流模型”的环 境时，只需一个电阻或者一个零延迟时间 的导线就足以代表电磁波的性能。
2. 一个频率为 1012 的正弦波 信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。 一些电路参数发生变化。如地线的电阻由于趋肤效应由0.01 （1KHz）变为1，并且还获得50的感应电抗。
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到底多高的频率 会影响到高速数字 电路的设计呢
？
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要点
在高速数字系统设计时，实际的数字波形必须考虑。既：要保持 信号的完整性。 信号完整性涉及到两个方面：波形完整性和时序完整性。 波形完整性要素：
信号完整性
信号的传输速度取决于电场合磁场建立
因素 线宽 介质厚度 介电常数 绿油厚度 铜箔厚度
趋势 线宽越大，阻抗越小 介质越厚，阻抗越大 值越大，阻抗越小
越厚，阻抗越小 越厚，阻抗越小
原因 电流越分散，电感越小；电容越大（电力线越集中在介质中）
互感减小，电感就增大；间距增大，电容减小 单位长度电容越大，对电感没有影响
如果末端负载开路，则末端的瞬态阻抗为无穷大 ，此时反射系数值为1，在末路端将产生一
个和入射波大小相等、极性相同，向源端传播的返回波。在这种情况下，反射点处电压翻倍
（2）负载端短路
如果传输线的末端与返回路径短路，则末端阻抗为0，此时反射系数为-1，传输系数为0，在
末端将产生一个和入射波大小相等、极性相反，流向返回路径的信号。反射点处电压为0
Lloop=La - Lab+ Lb - Lab = La + Lb - 2Lab 影响回路电感大小的最重要一项就是两支路的互感，互感越大回路电感越小。因此，想要减 小回路电感，就需要让信号路径和返回路径越靠近。
趋肤效应：高频电流流过导体时，电流会趋向导体表面分布。高频时，导体的阻抗主要由回 路电感产生的感抗大小决定，导体中的电流回沿回路阻抗即电感最小路径重新分布。
微带线返回电流分布示意图
带状线返回电流分布示意图
1.7 有损传输线及其模型
实际上传输线中的信号都是有损耗的，并不能都传送到末端。传输线的损耗和以下一些因素
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
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Time [ns]
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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，
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信号完整性基础
串行端接
Rs
R
50Ω
∞Ω
一般驱动源内阻 很小，端接电阻R和 应等于传 输线阻抗50 可避免信号在源端发生反射。 串行端接是使源端电阻与传输线的特性阻抗匹配：串 行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串联电阻阻值加上 驱动源的输出阻抗应等于传输线的特性阻抗。
并行端接
Rs
50Ω
∞Ω
50Ω
并行端接是使负载阻抗与传输线阻抗 匹配 ，主要是在尽量靠近负载端的位置加 上拉或下拉电阻以实现终端的阻抗匹配 。
Setup Time & Hold Time
Data Clock
Setup Time
Hold Time
建立保持时间
建立时间（Setup Time）是指触发器的 建立时间（Setup Time）是指触发器的 时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的 时间，如果建立时间不够，数据将不能在这 个时钟上升沿被打入触发器。 保持时间（ Hold Time ）是指触发器的 时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的 时间。如果保持时间不够，数据同样不能被 打入触发器。
欠阻尼 临界阻尼
过阻尼
Ringing（振铃） Ringing（振铃）
High Threshold
Low Threshold
多次跨越逻辑电平，易造成误触发。造成原 因主要有：传输线过长、串扰、阻抗不匹配、 电感量过大等。
Overshoot、Undershoot& Overshoot、Undershoot& Ringback
示波器探头的负载效应
阻性负载：观测到的信号幅度和直流偏 置发生了变化，电路的实际情况发生了改 变。建议： 探头电阻R>10倍DUT源电阻。 探头电阻R>10倍DUT源电阻。 容性负载：使信号上升时间减缓，带宽 减小，传输延迟增加。建议：使用电容尽 量小的探头，以减小对被测信号上升时间 的影响。 感性负载：因为探头地线的电感效应， 增加显示信号的振铃，因为振铃的出现， 可能导致测试误差。建议：使用尽量短的 地线，且减小环路面积。
信号完整性
1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。
信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。
主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源时延太大传输线距离太长替换或重新布线，检查串行端接头使用阻抗匹配的驱动源，变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻2、什么是串扰（crosstalk）？串扰（crosstalk）是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
产生串扰（crosstalk）被称为Aggressor，而另一个收到干扰的被称为 Victim.通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（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（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
3、什么是电磁兼容（EMI）？电磁干扰（Ectromagnetioc Interference），或者电磁兼容性（EMI），是从一个传输线（transmission line）（例如电缆、导线或封装的管脚）得到的具有天线特性的结果。
印制电路板、集成电路和许多电缆发射并影响电磁兼容性（EMI）的问题。
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信号完整性什么是电磁干扰（EMI）和电磁兼容性(EMC)?(Electromagnetic Interference)，有传导干扰和辐射干扰两种。
传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。
辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。
在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。
符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。
什么是信号完整性(signal integrity)?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。
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。
什么是反射(reflection)?反射就是在传输线上的回波。
信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。
如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。
源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。
如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。
布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。
什么是串扰(crosstalk)?串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
什么是过冲(overshoot)和下冲(undershoot)?过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。
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。
过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。
什么是振荡(ringing)和环绕振荡（rounding）?振荡的现象是反复出现过冲和下冲。
信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。
信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。
什么是地电平面反弹噪声和回流噪声?在电路中有大的电流涌动时会引起地平面反弹噪声（简称为地弹），如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。
负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
同样电源层也可能会被分割为2.5V，3.3V，5V等。
所以在多电压PCB设计中，地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。
在时域(time domain)和频域(frequency domain)之间有什么不同?时域(time domain)是以时间为基准的电压或电流的变化的过程，可以用示波器观察到。
它通常用于找出管脚到管脚的延时(delays)、偏移(skew)、过冲(overshoot)、、下冲(undershoot)以及建立时间(settling times)。
频域(frequency domain)是以频率为基准的电压或电流的变化的过程，可以用频谱分析仪观察到。
它通常用于波形与FCC和其它EMI控制限制之间的比较。
什么是阻抗(impedance)?阻抗是传输线上输入电压对输入电流的比率值(Z0=V/I)。
当一个源送出一个信号到线上，它将阻碍它驱动，直到2*TD时，源并没有看到它的改变，在这里TD是线的延时(delay)。
什么是建立时间(settling time)?建立时间就是对于一个振荡的信号稳定到指定的最终值所需要的时间。
什么是管脚到管脚(pin-to-pin)的延时(delay)?管脚到管脚延时是指在驱动器端状态的改变到接收器端状态的改变之间的时间。
这些改变通常发生在给定电压的50%，最小延时发生在当输出第一个越过给定的阈值(threshold)，最大延时发生在当输出最后一个越过电压阈值(threshold) ，测量所有这些情况。
什么是偏移(skew)?信号的偏移是对于同一个网络到达不同的接收器端之间的时间偏差。
偏移还被用于在逻辑门上时钟和数据达到的时间偏差。
什么是斜率(slew rate)?Slew rate就是边沿斜率(一个信号的电压有关的时间改变的比率)。
I/O 的技术规范(如PCI)状态在两个电压之间，这就是斜率(slew rate)，它是可以测量的。
什么是静态线(quiescent line)?在当前的时钟周期内它不出现切换。
另外也被称为"stuck-at" 线或static线。
串扰(Crosstalk)能够引起一个静态线在时钟周期内出现切换。
什么是假时钟(false clocking)?假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。
通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。
什么是IBIS模型?IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准确建模的方法，是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准，它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。
IBIS规范最初由一个被称为IBIS开放论坛的工业组织编写，这个组织是由一些EDA厂商、计算机制造商、半导体厂商和大学组成的。
IBIS的版本发布情况为：1993年4月第一次推出Version1.0版，同年6月经修改后发布了Version1.1版，1994年6月在San Diego通过了Version2.0版，同年12月升级为Version2.1版，1995年12 月其Version2.1版成为ANSI/EIA-656标准，1997年6月发布了Version3.0版，同年9月被接纳为IEC 62012-1 标准，1998年升级为Version3.1版，1999年1月推出了当前最新的版本Version3.2版。
IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准的IBIS文件中如何记录一个芯片的驱动器和接收器的不同参数，但并不说明这些被记录的参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型的仿真工具来读取。
欲使用IBIS 进行实际的仿真，需要先完成以下四件工作：（1）获取有关芯片驱动器和接收器的原始信息源；（2）获取一种将原始数据转换为IBIS格式的方法；（3）提供用于仿真的可被计算机识别的布局布线信息；（4）提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算的软件工具。
IBIS是一种简单直观的文件格式，很适合用于类似于Spice（但不是Spice，因为IBIS文件格式不能直接被Spice工具读取）的电路仿真工具。
它提供驱动器和接收器的行为描述，但不泄漏电路内部构造的知识产权细节。
换句话说，销售商可以用IBIS模型来说明它们最新的门级设计工作，而不会给其竞争对手透露过多的产品信息。
并且，因为IBIS是一个简单的模型，当做简单的带负载仿真时，比相应的全Spice三极管级模型仿真要节省10～15倍的计算量。
IBIS提供两条完整的V－I曲线分别代表驱动器为高电平和低电平状态，以及在确定的转换速度下状态转换的曲线。
V－I曲线的作用在于为IBIS提供保护二极管、TTL图腾柱驱动源和射极跟随输出等非线性效应的建模能力。
由上可知，IBIS模型的优点可以概括为：在I/O非线性方面能够提供准确的模型，同时考虑了封装的寄生参数与ESD结构；提供比结构化的方法更快的仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。
可用IBIS模型分析的信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。
IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细的仿真，它可用于检测最坏情况的上升时间条件下的信号行为及一些用物理测试无法解决的情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛的仿真平台。
当然，IBIS不是完美的，它也存在以下缺点：许多芯片厂商缺乏对IBIS模型的支持。
而缺乏IBIS模型，IBIS工具就无法工作。
虽然IBIS文件可以手工创建或通过Spice模型自动转换，但是如果无法从厂家得到最小上升时间参数，任何转换工具都无能为力IBIS不能理想地处理上升时间受控的驱动器类型的电路，特别是那些包含复杂反馈的电路；IBIS缺乏对地弹噪声的建模能力。
IBIS模型2.1版包含了描述不同管脚组合的互感，从这里可以提取一些非常有用的地弹信息。
它不工作的原因在于建模方式，当输出由高电平向低电平跳变时，大的地弹电压可以改变输出驱动器的行为。
什么是SPICE模型?。