什么是信号完整性
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。
信号完整性常用的三种测试方法
信号完整性常用的三种测试方法信号完整性是指在传输过程中信号能够保持原始形态和准确性的程度。
在现代高速通信和数字系统中，信号完整性测试是非常重要的工作，它能够帮助工程师评估信号的稳定性、确定系统的极限速率并发现信号失真的原因。
下面将介绍三种常用的信号完整性测试方法。
一、时域方法时域方法是信号完整性测试中最常见和最直观的方法之一、它通过观察信号在时间轴上的波形变化来评估信号的完整性。
时域方法可以检测和分析许多类型的信号失真，如峰值抖动、时钟漂移、时钟分布、幅度失真等。
时域方法的测试设备通常包括示波器和时域反射仪。
示波器可以显示信号的波形和振幅，通过观察波形的形状和幅度变化来判断信号完整性。
时域反射仪可以测量信号在传输线上的反射程度，从而评估传输线的特性阻抗和匹配度。
二、频域方法频域方法是另一种常用的信号完整性测试方法。
它通过将信号转换为频域表示，分析信号的频谱分布和频率响应来评估信号完整性。
频域方法可以检测和分析信号的频谱泄漏、频谱扩展、频率失真等。
频域方法的测试设备通常包括频谱分析仪和网络分析仪。
频谱分析仪可以显示信号的频谱图和功率谱密度，通过观察频谱的形状和峰值来评估信号完整性。
网络分析仪可以测量信号在不同频率下的响应和传输损耗，从而评估传输线的频率响应和衰减特性。
三、眼图方法眼图方法是一种特殊的信号完整性测试方法，它通过综合时域和频域信息来评估信号的完整性。
眼图是一种二维显示，用于观察信号在传输过程中的失真情况。
眼图可以提供信号的时钟抖动、峰值抖动、眼宽、眼深、眼高等指标。
眼图方法的测试设备通常包括高速数字示波器和信号发生器。
高速数字示波器可以捕捉信号的多个周期，并将其叠加在一起形成眼图。
通过观察眼图的形状和特征，工程师可以评估信号的稳定性和传输质量。
总结起来，时域方法、频域方法和眼图方法是常用的信号完整性测试方法。
它们各自具有独特的优势和适用范围，可以互相协作来全面评估信号的完整性。
在实际应用中，根据具体需求和测试对象的特点，选择合适的测试方法是非常重要的。
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
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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。
电气工程中的信号完整性分析
电气工程中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，电气工程领域的发展日新月异。
从智能手机到超级计算机，从医疗设备到航空航天系统，电子设备在我们的生活中无处不在。
而在这些复杂的电子系统中，信号完整性成为了确保设备性能稳定、可靠运行的关键因素。
信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其准确性、完整性和及时性的能力。
如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就可能导致系统性能下降、误码率增加、甚至系统故障。
因此，对电气工程中的信号完整性进行深入分析和研究具有极其重要的意义。
首先，让我们来了解一下信号完整性问题产生的原因。
信号在传输线上传播时，会遇到各种阻抗不匹配的情况。
比如，当信号从驱动源输出，经过传输线到达负载时，如果驱动源的输出阻抗、传输线的特性阻抗和负载的输入阻抗不匹配，就会引起信号的反射。
反射的信号会与原信号叠加，导致信号波形失真。
此外，相邻传输线之间的电磁耦合会产生串扰，使得相邻信号之间相互干扰。
同时，传输线的损耗会导致信号的衰减，从而影响信号的强度和质量。
为了分析信号完整性问题，我们需要一些重要的工具和技术。
时域反射计（TDR）就是其中之一。
TDR 可以通过向传输线发送一个快速上升的脉冲，并测量反射回来的脉冲，来确定传输线中的阻抗不连续点和故障位置。
另一个常用的工具是示波器，它可以直观地显示信号的波形，帮助我们观察信号的失真、噪声等问题。
此外，还有一些仿真软件，如ADS、HFSS 等，可以在设计阶段对电路进行建模和仿真，预测可能出现的信号完整性问题，并提前采取优化措施。
在实际的电气工程应用中，信号完整性问题在高速数字电路中尤为突出。
随着数字信号的频率不断提高，信号的上升时间和下降时间变得越来越短，这对信号传输的要求也越来越高。
例如，在计算机主板上，高速的总线信号需要在严格的时序要求下进行传输，如果出现信号完整性问题，可能会导致数据传输错误，影响计算机的性能。
在通信系统中，高速的射频信号也需要保持良好的完整性，以确保信号的质量和传输距离。
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
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。
电子设计中的信号完整性分析
电子设计中的信号完整性分析在电子设计过程中，信号完整性分析是非常重要的一部分。
信号完整性是指在信号传输过程中保持信号的准确性、稳定性和可靠性，确保信号不会失真或受到干扰。
在现代高速电子设备和系统中，信号完整性分析变得尤为关键，因为高速信号传输会受到许多因素的影响，如信号衰减、延迟、串扰和反射等问题。
信号完整性分析最常见的方法之一是使用传输线理论。
在高速信号传输中，信号被视为在传输线上传输的电磁波，传输线上的阻抗、衰减、延迟等参数都会影响信号的传输质量。
因此，通过对传输线的参数进行建模和仿真，可以帮助设计工程师分析和优化信号的传输性能。
另外，时域分析和频域分析也是信号完整性分析的重要工具。
时域分析可以用来研究信号在时间轴上的波形变化，包括上升时间、下降时间、峰值电压等参数；而频域分析则可以用来研究信号在频率域上的频谱信息，包括频率响应、谐波失真等参数。
通过时域分析和频域分析，设计工程师可以更全面地了解信号的特性和传输过程中可能出现的问题。
除了传输线建模和时频域分析，设计工程师还可以通过仿真软件进行信号完整性分析。
仿真软件可以模拟不同信号在设计电路中的传输过程，帮助工程师快速找出潜在的问题并优化设计方案。
通过仿真软件，设计工程师可以对不同参数进行调整，如传输线长度、阻抗匹配、信号的波形和频谱，以达到最佳的信号完整性。
此外，设计工程师在进行信号完整性分析时还需要考虑一些其他因素，如接地设计、功率分配、EMI（电磁干扰）和ESD（静电放电）等。
这些因素都可能会对信号的传输过程造成影响，设计工程师需要综合考虑这些因素，以保证信号的可靠传输和稳定性。
总的来说，在电子设计中的信号完整性分析是保证高速电子系统可靠性和稳定性的关键步骤。
通过传输线建模、时频域分析、仿真软件以及综合考虑其他因素，设计工程师可以找出潜在的问题并优化设计方案，确保信号的准确传输和稳定性，从而提高电子系统的性能和可靠性。
通过不断学习和应用信号完整性分析的方法，设计工程师可以更好地应对日益复杂的电子系统设计挑战，推动电子科技的发展。
信号完整性对于高速电路设计的重要性分析
信号完整性对于高速电路设计的重要性分析在高速电路设计中，信号完整性是一个非常重要的概念。
信号完整性指的是在信号的传输过程中，信号保持其原始形态，不受噪声、失真和干扰的影响，以确保系统的可靠性和性能。
在现代的高速电路设计中，信号的频率越来越高，信号上升沿和下降沿的时间越来越短，信号的传输速度越来越快，因此信号完整性就显得尤为重要。
首先，信号完整性对于系统的可靠性至关重要。
在高速电路中，信号的传输距离往往比较长，信号在传输过程中容易受到干扰、噪声和失真的影响，从而导致信号的不完整性。
如果信号传输过程中发生了失真，可能会导致系统的错误操作，甚至导致系统崩溃。
因此，保持信号的完整性可以保证系统的稳定和可靠性。
其次，信号完整性对于系统的性能也有着重要的影响。
在高速电路中，信号的频率和传输速度非常高，而且信号的上升时间和下降时间非常短，因此信号波动和失真的情况更容易发生。
如果信号受到失真和干扰，可能会导致系统的性能下降，数据传输速率减慢，甚至数据丢失。
通过保持信号的完整性，可以避免信号受到干扰和失真，提高系统的性能和数据传输的稳定性。
此外，信号完整性还对于功耗和电磁兼容性有着重要的影响。
在高速电路中，信号的传输过程会产生一定的功耗，如果信号受到失真和干扰，可能会导致功耗增加，影响系统的能效。
另外，失真和干扰还会导致电磁干扰的产生，影响系统的电磁兼容性。
因此，通过保持信号的完整性，可以减少信号传输过程中的功耗和电磁干扰，提高系统的能效和电磁兼容性。
在高速电路设计中，要保持信号的完整性，需要采取一系列的措施。
首先，在布线设计中，需要避免信号走线过长、过细，避免信号路径上发生串扰和电磁干扰。
其次，在信号传输过程中，需要采用合适的阻抗匹配技术，确保信号的传输质量。
此外，还需要采用合适的终端电阻和阻抗匹配网络，降低信号的反射和回波，保证信号的波形完整性。
此外，在高速电路设计中，还需要考虑信号功耗、时钟分配、布局规划等问题，保证系统的稳定性、可靠性和性能。
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。
信号完整性设计基础
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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。
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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。
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优势：抗干扰。
根源：同进同出，且无串扰。
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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
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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。
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• 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%；
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• 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。
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• 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
信号完整性分析
信号完整性是指在信号线上的信号质量。
当电路中信号能以要求的时序和电压幅度到达接收端时，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。
板级信号完整性主要表现为延迟、反射、串扰、同步切换噪声、过冲和下冲、地弹、振铃和EMI(Electro Magnetic Interference)即电磁干扰等几方面。
延迟是指信号在PCB板上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，过长的延迟可导致时序混乱，由于本系统采用多块电路板级联结构设计，信号在单块PCB上的延时可以忽略，但在板级间通过接插件的传输，尤其是顶层板到底层板的信号传输，需要通过中间两块板，信号的走线路程相对很长，时间的延迟不可忽略。
为此，系统选用性能良好尤其电气特性良好的接插件，同时考虑关键控制信号要尽可能减少传输路程，布局布线时优先考虑。
反射是在传输线上的回波，信号经过传输线将一部分功率传给负载的同时，由于阻抗不匹配，有一部分能量反射回源端。
如果阻抗匹配（源端阻抗、传输线阻抗与负载阻抗相等），信号全部传给负载，反射不会发生。
减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数为零。
具体做法是在靠近源端的地方串联进去一几十欧姆的电阻，该方法简单有效，消耗功率小。
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不期望的电压噪声干扰。
过大的串扰可能引发电路的误触发，导致系统无法正常工作。
串扰是由电磁耦合形成的，根据容性耦合和感性耦合的不同，产生的干扰有互容串扰和互感串扰。
互容串扰是信号线间的容性耦合，当信号线在一定长度上靠得比较近的时候就会发生，客服的方法有两种，适当减少两根走线间的并行距离和在两根走线间穿插地线。
互感串扰是由布线时产生的环路引起的，克服的办法是在布线时避免环路的出现。
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
集成电路设计中的信号完整性研究
集成电路设计中的信号完整性研究一、前言随着集成电路设计技术的不断发展和完善，信号完整性研究已成为集成电路设计过程中必须重视的一个重点领域。
在电路板设计中，信号完整性研究是确保信号质量和可靠性的重要手段。
本文将对集成电路设计中的信号完整性研究进行详细论述。
二、信号完整性的概念信号完整性是指在电路传输过程中信号的稳定性、可靠性和正确性。
在集成电路设计中，信号完整性的设计目标是确保信号能够正确地到达接收端，确保数据传输时的信号时序、电平等参数的稳定性和一致性。
通常情况下，信号完整性存在三种情况：1. 稳定性完整性：主要是指信号传输过程中的电压、电流和幅度等参数的稳定性。
2. 时序完整性：主要是指信号传输过程中的延时、时钟抖动等影响信号时序的因素的影响。
3. 电磁兼容完整性：主要是指信号在传输过程中所遭受的电磁干扰和抗电磁干扰能力。
三、信号完整性的影响因素在集成电路设计中，信号完整性的影响因素主要从以下几个方面考虑：1. 电线电容和电感：电线电容和电感都会影响信号的传输速度，从而影响信号完整性。
2. 晶体管下射电流：晶体管下射电流是晶体管从开到关或从关到开的过渡时需要的电流，过高或过低都会影响信号完整性。
3. 信号线电阻和接地方式：信号线电阻的大小和接地方式也会影响信号的传输速度和抗干扰能力，进而影响信号完整性。
4. PCB设计和导线布局：PCB设计和导线布局的不合理会导致信号反射、串扰和电容耦合等问题。
四、信号完整性的解决方案为了解决信号完整性的问题，需要采取以下几种解决方案：1. 在电路设计中合理选取元器件：元器件的选择是影响信号完整性的重要因素，在选择元器件时需要根据实际情况合理选取。
2. 采用阻性或者有源补偿技术：对于信号线电阻对信号完整性的影响可以通过阻性或者有源补偿技术来消除或者减小。
3. 良好的布线规划：布线规划是解决信号完整性问题的关键，需要合理安排信号线和电源线的布置，避免信号延迟和干扰。
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。
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。
微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
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。
硬件测试中的信号完整性与时序分析
硬件测试中的信号完整性与时序分析硬件测试在现代电子领域中起着至关重要的作用。
其中，信号完整性与时序分析是硬件测试过程中的两个关键方面。
本文将深入探讨信号完整性与时序分析的概念、重要性以及测试方法，以帮助读者更好地理解和应用于实际项目中。
一、信号完整性信号完整性指的是电子系统中信号的传输过程中是否能够保持其原始质量、准确性和稳定性。
在高速数字电路设计和通信系统中，信号完整性是确保信号正确、可靠地传输的关键因素。
信号完整性问题可能导致信号失真、时序错误、干扰噪声等问题，从而降低系统性能甚至引发系统故障。
为了确保信号完整性，硬件测试中常常采用以下几种方法：1. 眼图测量：眼图可以直观地展示信号的质量和稳定性。
通过该方法，测试人员可以判断信号的抖动情况、噪声水平和时钟同步等问题。
2. 波形分析：利用示波器等测试仪器，测试人员可以对信号的电压、频率、上升沿和下降沿等参数进行精确测量，并与标准波形进行比较，以评估信号质量。
3. 串扰分析：在高密度布线的电子系统中，邻近信号线之间可能会发生串扰现象，影响信号完整性。
通过串扰分析，测试人员可以发现并修复潜在的信号干扰问题。
4. 电磁兼容性（EMC）测试：在电子设备中，电磁辐射和电磁感应可能会对信号完整性产生不利影响。
EMC测试可以评估设备在电磁环境下的安全性和干扰抗性。
二、时序分析时序分析是硬件测试中另一个重要的方面，它涉及到信号在电路中传输的时间和顺序。
在高速数字系统和通信领域中，准确地控制和分析信号的时序关系至关重要，任何时序错误都可能导致系统失效。
在时序分析中，常用的测试方法有：1. 时钟信号分析：时钟信号是数字系统中的同步基准，对于时序分析至关重要。
通过测量时钟信号的频率、占空比和抖动等参数，可以评估系统的时序稳定性。
2. 延迟分析：在数字电路中，各个逻辑门的延迟可能存在差异，从而导致时序错误。
通过测量电路中各个节点的延迟情况，可以发现潜在的时序问题并进行优化。
抄板技术之信号完整性的定义
抄板技术之信号完整性的定义
信号完整性是指信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应的能力，是信号未受到损伤的一种状态，它表示信号在信号线上的质量。
延迟（Delay）
延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，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。
在高速数字系统中，信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差的最直接因素，时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号，到达接收端的时间不同步。
时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性，如果时钟脉冲相位差太大，会在接收端产生错误的信号，如图1所示，传输线反射（Reflection）反射就是子传输线上的回波。
当信号延迟时间（Delay）远大于信号跳变时间（Transition Time）时，信号线必须当作传输线。
当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号功率（电压或电流）的一部分传输到线上并到达负载处，但是有一部分被反射了。
若负载阻抗小于原阻抗，反射为负；反之，反射为正。
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不连续等因素的变化均会导致此类反射。
同步切换噪声（SSN）
当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时（如CPU的数据总线、地址总线等），由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声（地弹）。
SSN和地弹的强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。
出自: /Tech/Pcbcb/291472.html。
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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。
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）。
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/量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间,记为Tr。
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。
匹配（Termination）：指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。
屏蔽效率（SE）：是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数,单位为分贝。
吸收损耗：吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。
反射损耗：反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。
校正因子：表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。
前向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。
后向串扰（Forward Crosstalk）：指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near-end crosstalk)。
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。
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。
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。
信号回流（Return current）：指伴随信号传播的返回电流。
自屏蔽（Self shielding）：信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。
差模EMI：传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。
共模EMI：当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI。
发射带宽：即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。
假时钟: 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。
电源完整性(Power Integrity)： 指电路系统中的电源和地的质量。
同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise）：指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流（di/dt）,在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。
电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和。
电磁骚扰：任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。
电磁干扰：电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。
电磁兼容性：设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
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。
系统内干扰：系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。
系统间干扰：有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。
静电放电：具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。
建立时间（Setup Time）：建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。
Tco：是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。缓冲延迟（buffer delay）：指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间
时钟抖动（Jitter）：时钟抖动是指时钟触的,和后期布线没有关系。
时钟偏移（Skew）：是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。
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。
微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。
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。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。
保持时间（Hold Time）：为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。
飞行时间（Flight Time）：指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上升时间有关。