信号完整性测试资料

PCB设计阶段 （cadsi）
调试、问题解决阶 段（debug）
SI测试 SI仿真
SI仿真
SI仿真
SI测试 SI仿真
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阻抗测试
阻抗不连续带来的问题
–反射问题 –波形质量问题 –时序问题
阻抗测试的目的
–验证PCB走线阻抗控制 –验证CABLE阻抗控制 –查找阻抗不连续点（阻抗突变、断路、短路）

一致性验证工具
– 采集数据 – 按照标准分析；得出与标 准的符合情况 – 构建基于示波器的专用测 试系统
数据采集器
– 采集数据后分析处理 – 宽带射频接收机

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示波器的关键指标
带宽和上升时间
–探头带宽选择
想看看不到
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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
怎么去测试这个眼图？
Tx
+
+
path
+
+
+
+
path
+
+
Rcv
EQUALIZER
-
-
-
path
-
-
-
-

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„
串扰引起的现象和根源
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波形的测试－－单调性测试
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波形的测试－－地弹
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波形的测试——反射
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眼图测试——噪声
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眼图测试——抖动
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茶歇和Q/A
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Tx + Interconnect
Interconnect (by itself)
Rcv
3
Tx
+ + - path
+ + -
Test point
4
Test point
+ path
+ -
Test point
Tx
+ + - path path
+ +
-
Test point
Rcv
Test point
+
path path
f0 =
DUT
NOTE: VCC 为交流对地
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你的电路是这辆车，货物是探头负载
太重的探头负载会让信号不能正常工作！
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探头的选择——等效负载举例
一个CMOS逻辑器件驱动了七个门，连接了一个10X衰减探头后有什么后 果？ CMOS电路，24pf/Load，3fp/Gate
定量分析信号的特性，测量幅度、 频率、上升时间、下降时间、脉冲 宽度、脉冲个数、过冲等„„ 观测电路是否有偶发故障，并分析 其重复性，研究其成因 信号完整性测试，是否有噪声、过 冲、振铃、非单调、抖动等特性 射频信号频谱、调制分析 捕获信号，研究其和一些标准（自 定义的或者标准化组织制订的）的 对应情况，得到规范的测试报告 使用示波器采集和存储信号，并用 其它自定义方法分析 电流－电压和瞬态功率测量 测试系统的组成部分

信号完整性分析的目的就是用最小的成本，最快的时间使产品达到波形完 整性、时序完整性、电源完整性的要求。
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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
高精度信号完整性基础
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内容
信号完整性内容 高精度信号完整性测试基础
–信号保真度 –信号完整性测试的关键指标 –流行的信号完整性测试设备
高速电路常见问题和调试技巧 衡量高速信号质量的重要手段和方法：眼图和抖动测试与分析 高速互联的阻抗测试和分析
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波形测试
幅度、上升时间、下降时间、频率、周期、单调性、噪声、上冲下冲、 振铃等等 毛刺、矮波、宽度等 抖动测试、眼图测试
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波形测试——模板测试
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时序测试
时序测试的内容：
–建立时间、保持时间测试 –走线长度测试 –抖动测试
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链路建模的两种方法：仿真和测试
目前常用的高速电路仿真软件
– – – ANSOFT HSPICE CADENCE

建立在模型的基础上
– 器件厂家提供的IBIS模型/SPICE模 型/S参数等 – 自己建模得到的链路模型如过孔/传 输线模型等
优点 节约硬件成本：可以在设计前进行仿 真分析 降低设计风险 灵活：不同走线长度，不同速率，不 同环境情况下的分析
抖动和噪声同时造成信号损伤
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更完整/更准确地分析BER
更准确地推断眼图轮廓和BER
误码率 (BER)
抖动分离
噪声分离
= 无界 = 有界
总抖动 (TJ)
总噪声 (TN)
随机抖动 (RJ)
确定性抖动 (DJ)
随机噪声 (RN)
确定性噪声 (DN)
周期性抖动 (PJ)
数据相关抖动 (DDJ)
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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信号完整性在硬件不同阶段的工作
需求分析、方案选 择（define）
原理图设计阶段 （sch design）
1k
100 10 1
Active 1.0 pF/1 M
Zo 0.15 pF/500
1X Passive 100 pF/1 M
100
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
10G
Frequency
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典型的高速探头
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基于示波器的信号完整性测试
观察信号的有无，大致是否和期望相符 定量分析信号的特性，测量幅度、频率、上升时间、下降时间、脉冲宽度、脉 冲个数、过冲等„„ 观测电路是否有偶发故障，并分析其重复性，研究其成因 信号完整性测试，是否有噪声、过冲、振铃、非单调、抖动等特性 射频信号频谱、调制分析 捕获信号，研究其和一些标准（自定义的或者标准化组织制订的）的对应情况， 得到规范的测试报告
– PCIE、SATA、Ethernet、USB„„

使用示波器采集和存储信号，并用其它自定义方法分析 电流－电压和瞬态功率测量


测试系统的组成部分
„„
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示波器的几个角色
最通用的调试工具
– – – – 发现问题 定位问题 分析问题 解决问题


观察信号的有无，大致是否和期望 相符
时序不满足带来的问题
–建立时间和保持时间违规会带来数据读取上的问题比如误码等 –毛刺
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建立/保持时间
数据 时钟
D CK
Q
输出
数据
输出
时钟
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违反建立时间
数据 时钟 D CK Q 输出
数据 输出
?
时钟
建立
保持
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PI问题：引起的原因
测试仪器的关键指标
–探头影响 –带宽和上升时间 –采样模式 –时钟恢复 –时间精度
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探头如何影响测量测量系统
V CC
没有探头及仪表
Gain = - RC RE
CC
RC
探头及仪表
VIN
f0 =
1 2 RCCC
有探头及仪表
RP RE CP
Gain =
- (RC||RP) RE 1 2 (RC||RP)(CC+CP)
占空经抖动 (DCD)
周期性噪声 (PN)
数据相关噪声 (DDN)
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包含抖动、噪声，BER的三维“浴盆曲线”
包含了抖动、噪声、误码率的三维 “浴盆曲线”更加准确的描述出了误 码率的根源，同时能更加准确的预测 出误码率
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SI引起的现象和根源
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差分信号传输过程会受到探头负载影响
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探头的选择——等效负载举例
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探头输入阻抗对信号传输的影响
Input Impedance
100M 10M 1M 100k 10k 10X Passive 10 pF/10 M 10X Passive probe loading goes to 159 at 100 MHz
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2018/12/16
抖动、噪声和误码原因分析
链路的BER只受到抖动影响
– 抖动分离可以查看根本原因 – 准确的BER推断和浴缸曲线
信号损伤主要是抖动

有时引起BER的原因主要是噪声
– 抖动分离对了解BER性能根本原因的作用非常小
信号损伤主要是噪声

通常情况下同时受到抖动和噪声的影响
– 抖动分离只能解决部分问题
„我发现眼图是闭合的
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2018/12/16
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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2018/12/16
抖动、眼图和浴盆曲线

建立在实际环境的基础上
– 依赖于仪器/测试方法/测试环境
优点 真实反应信号真实运行环境，最真实 的结果 没有模型精度的限制
缺点 硬件成本高：必须在单板加工完成/器 件贴装后才能进行 设计风险高：如设计有问题，有可能 浪费我们研发时间和人力物力 不灵活：只能在特定的走线长度，速 率，特定的环境情况下进行测试
信号完整性测试的基础——信号保真度
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2018/12/16
信号完整性测试的工具
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2018/12/16
信号完整性的基本分析方法
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2018/12/16
高速信号完整性测试的准备
需要了解的背景知识
–信号完整性的概念和内容 –常见的信号完整性问题的现象、原因 –常见的信号完整性问题解决方法 –对软件仿真、硬件设计、PCB设计测试的了解
缺点 受到模型准确度的限制，特别是链路 模型的精度 不能真实反应信号真实运行环境
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2018/12/16
链路建模的两种方法：仿真和测试
目前常用的高速测试仪器
– 信号波形质量：实时示波器DPO70K/ 采样示波器DSA8200 – 信号时序关系：逻辑分析仪 TLA5K/TLA7K – 频域测试：采样示波器DSA8200/实 时频谱仪
+
+ -
Test point
Tx
+ + - -
+ + -
Test point
Rcv
Test point
+ -
Test point
-
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2018/12/16
信号完整性内容
波形完整性（Waveform integrity） 时序完整性（Timing integrity） 电源完整性（Power integrity）
电源分配系统设计主要包括电压调整模块、去耦电容和电源/地平面三 方面的设计。设计不当产生的后果是同步切换噪声（SSN），也被称为 同步切换输出（SSO）或电源/地弹噪声，主要是由封装和插座电感而引 起的。
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2018/12/16
PI问题：测试
测试工具：示波器，50欧姆同轴电缆，50欧姆可焊接电缆，隔直板 选择AC耦合，50欧姆输入阻抗测试全频段的噪声，之后选择1M欧姆输入 阻抗测试低频段噪声。同时通过FFT变换，知道频谱分布。
高速信号完整性测试和验证技术
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2018/12/16
内容
信号完整性测试内容 高速电路中的常见问题和测试技巧
衡量高速信号质量的重要手段和方法：眼图和抖动测试与分析
高速互连的阻抗测试与分析
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2018/12/16
内容
信号完整性测试内容
–测试对于信号完整性设计的重要性 –阻抗的测试 –波形的测试 –时序的测试 –电源完整性的测试 –S参数或SPICE模型的建模工作 –均衡和预加重 –误码率的测试 –案例分析
信号完整性测试内容
–测试的目的——发现问题、解决问题 –问题是否是硬件设计问题 –问题是否是器件原因——驱动能力、模型？ –问题是否是布局布线问题？拓扑、端接、阻抗、走线长度、串扰？
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2018/12/16
了解您的信号特性
被测信号类型
–串行/并行总线？ –差分还是单端 –上升时间（速度） –频率 –时钟选择
高速电路常见测试问题和调试技巧 衡量高速信号质量的重要手段和方法：眼图和抖动测试与分析 高速互连的阻抗测试与分析
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2018/12/16
客户调查：您需要哪一项测试？
System tБайду номын сангаасst
(functional check; debug)
Tx output
2
Tx
1
Test points + -