信号完整性分析

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信号完整性分析规则设置
3、信号过冲的上升沿(Overshoot-Rising Edge)规则：信号 过冲的上升沿与信号过冲下降沿是相对应的。它定义了信号 上升边沿允许的最大过冲值，也即信号上升沿上高于信号上 位值的最大阻尼振荡，系统默认是伏特。
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信号完整性分析规则设置
4、信号下冲的下降沿(Undershoot-Falling Edge)规则：信 号下冲和信号过冲略有区别。信号下冲的下降沿定义了信号 下降边沿允许的最大下冲值，也即信号下降沿上高于信号基 值的阻尼振荡，系统默认是伏特。
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信号完整性分析规则设置
9、飞升时间的上升沿(Flight Time-Rising Edge)规 则：飞升时间的上升沿定义了信号上升边沿允许的 最大飞行时间，即信号上升边沿到达信号设定值的 50%时所需的时间，系统默认单位是秒。
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信号完整性分析规则设置
10、飞升时间的下降沿(Flight Time-Falling Edge)规 则：飞升时间的下降沿是相互连接的结构的输入信 号延迟。它是实际的输入电压到门限电压之间的时 间，小于这个时间将驱动一个基准负载。该负载直 接与输出相连接。飞升时间的下降沿与飞升时间的 上升沿是相对应的。它定义了信号下降边沿允许的 最大飞行时间，也即信号下降边沿到达信号设定值 的50%时所需的时间，系统默认是秒。
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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 设置激励信号的初始电 平，仅对“Single Pulse”和“Periodic Pulse”有效，设置初始 电平为低电平选择Low Level，设置初始电平 为高电平选择High Level。
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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。
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信号完整性分析器
启动方法：打开某一PCB文件，选择ToolSignal Integrity命令，系统开始运行信号完整性分析器。
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常见的信号完整性问题
1、传输延时(Transmission Delay)
传输延时表明数据或时钟没有在规定的时间内，以一定 的持续时间和幅度到达接收端。信号延时是驱动过载、 走线过长的传输线效应引起的。传输线上的等效电容、 电感会对信号的数字切换产生延时，影响集成电路的建 立时间和保持时间，集成电路只能按照规定的时序来接 收数据，延时过长会导致集成电路无法正确判断数据， 则电路将不能正常工作，甚至完全不能工作。 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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常见的信号完整性问题
2、串扰(Crosstalk) 串扰是没有电器连接的信号线之间的感应电压和感 应电流所导致的电磁耦合。这种耦合会使信号线起 着天线的作用。其容性耦合会引发耦合电流，感性 耦合会引发耦合电压，并且随着时钟频率的升高和 设计尺寸的缩小而加大。这是由于信号线上有交变 的信号电流通过时，会产生交变磁场，处于该磁场 中其他信号线会感应出信号电压。 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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信号完整性分析规则设置
7、信号高电平(Signal Top Value)规则：信号高电 平定义了线路上信号在高电平状态下所允许的最小 稳定电压值，即信号上位值的最小电压，系统默认 单位是伏特。
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信号完整性分析规则设置
8、信号基值(Signal Base Value)规则：信号基值与 信号高电平是相对应的。它定义了线路上信号在低 电平状态下所允许的最大稳定电压值，也即信号的 最大基值，系统默认单位是伏特。
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信号完整性分析规则设置
13、电源网络(Supply Nets)规则：电源网络定义了 电路板上的电源网络标号。信号完整性分析器需要 了解电源网络标号的名称和电压位。
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信号完整性分析器
在进行信号完整性分析中，所涉及到一种重要工 具就是信号完整性分析器。 信号完整性分析可以分为两大步进行：第一步对 所有可能需要进行分析的网络进行一次初步分析， 从中可以了解到哪些网络的信号完整性最差；第 二步是筛选出一些信号进行进一步的分析。这两 步的具体实现都是在信号完整性分析器中进行。 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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信号完整性分析工具
采用成熟的传输线特征计算和并发仿真算法。 用电阻和电容参数值对不同的终止策略进行假设 分析，并可对逻辑块进行快速替换。 提供IC模型库，包括校验模型。 宏模型逼近使得仿真更快、更精确。 自动模型连接。 支持I/O缓冲器模型的IBIS2工业标准子集。 利用信号完整性宏模型可以快速地自定义模型。
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信号完整性分析规则设置
11、上升边沿斜率(Slope-Rising Edge)规则：上升 边沿斜率定义了信号从门限电压上升到一个有效的 高电平时所允许的最大值，系统默认单位是秒。
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信号完整性分析规则设置
12、下降边沿斜率(Slope-Falling Edge)规则：下降 边沿斜率与上升边沿斜率是相对应的，它定义了信 号从门限电压下降到一个有效的低电平时所允许的 最大时间，系统默认单位是秒。
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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
6、阻抗约束(Impedance Constraint)规则：阻抗约束定义了 电路板上所允许的电阻的最大和最小值，系统默认单位是欧 姆。阻抗和导体的几何外观、导电率、导体外的绝缘层材料 及电路板的几何物理分布相关。
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信号完整性分析概述
我们从以下几个方面对信号完整性分析 的基本知识进行学习： 信号完整性分析概念 常见的信号完整性问题 信号完整性分析工具
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信号完整性分析概念
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 压做出响应能力。 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。
信号完整性分析
软件学院 侯刚
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主要内容
信号完整性分析概述 信号完整性分析规则设置 信号完整性分析器
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信号完整性分析概述
随着电路设计的新工艺、新器件的迅猛发展，高速 器件在高速电路设计中的应用已日趋广泛。 在这种高速电路系统中，数据的传送速率和时钟的 工作频率都相当高，而且由于功能的复杂多样，电 路密集度也相当大。 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。 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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常见的信号完整性问题
除上述问题之外，在高频电路设计中还存 在有其他一些与电路功能本身无关的信号 完整性问题，如电路板上的网络阻抗和电 磁兼容性等。 在实际的制作PCB印制板之前，应该进行 信号完整性分析，以提高设计的可靠性和 降低设计成本。
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信号完整性分析工具
Protel 99SE包含一个高级信号完整性仿真器。它能分 析PCB设计并检查设计参数，测试过冲、下冲、线路 阻抗和信号斜率。 如果PCB上任何一个设计要求(由DRC指定的)有问题， 即可对PCB进行反射或串扰分析，以确定问题所在。 Protel 99SE的信号完整性分析和PCB设计模块是无缝 连接的。该模块提供了极其精确的板级分析，能检查 整板的串扰、过冲、下冲、上升时间、下降时间和线 路阻抗等问题。在印制电路板制造前，应以最小的代 价来解决高速电路设计带来的问题和EMC/EMI(电磁 兼容性/电磁抗干扰)等问题。
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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。 布线的某些几何形状，不适当的端接，经过连接器的传 输及电源平面不连续等，均会导致信号的反射。反射会 导致传送信号出现严重的过冲(Overshoot)或下冲 (Undershoot)现象，致使波形变形、逻辑混乱。
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信号完整性分析规则设置
Protel 99SE中包含了许多信号完整性分析的规则。这些规 则用于在PCB设计中检测一些潜在的信号完整性问题。 在PCB编辑环境中，选择DesignRules命令，将弹出 “PCB设计规则设置”对话框。在对话框中切换到 “Signal Integrity”选项卡，即可看到各种信号完整性分析 选项，可以根据设计工作的要求选择所需的规则设置。
设置激励信号高电平 脉宽的起始时间
设置激励信号高电平脉 宽的终止时间
设置激励信号周期
注意添加时间单位
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信号完整性分析规则设置
2、信号过冲的下降沿(Overshoot-Falling Edge)规 则：信号过冲的下降沿定义了信号下降边沿允许的 最大过冲位，也即信号下降沿上低于信号基值的最 大阻尼振荡，系统默认单位是伏特。
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常见的信号完整性问题
4、接地反弹
接地反弹是指由于电路中较大的电流涌动，在电源与 接地平面间产生大量噪声的现象。如大量芯片同步切 换时，会产生一个较大的瞬态电流从芯片与电流平面 间流过，芯片封装与电源间的寄生电感、电容和电阻 会引发电流噪声，使得零电位平面上产生较大的电压 波动(可能高达2V)，足以造成其他元件误动作。 由于接地平面的分割(分为数字接地、模拟接地和屏 蔽接地等)，可能引起数字信号传到模拟接地区域时， 会产生接地平面回流反弹。同样，电源平面分割也可 能出现类似危害。负载容性的增大、阻性的减少、寄 生参数的增大、切换速度的增高，以及同步切换数目 的增加，都可能导致接地反弹的增加。
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信号完整性分析工具
Protel 99SE的信号完整性分析模块的设计特征如下： 设置简单，可以像在PCB编辑器中定义设计规则一样 定义设计参数。 通过运行DRC，可以快速定位不符合设计要求的网络。 无需特殊的经验，可以从PCB中直接进行信号完整性 分析。 提供快速的反射和串扰分析。 利用I/O缓冲器宏模型，无须额外的SPICE或模型仿真 知识。 信号完整性分析的结果采用示波器形式显示。