高速信号完整性分析

高速信号完整性分析

朱良乐

摘　要:介绍了高速信号在芯片和PCB中传输时所引起信号完整性问题以及破坏信号完整性的原因,从理论角度出发,通过论证信号完整性的重要性来分析、论证高速信号在电路中传输时所具有的特征。

关键词:信号完整性,反射,串扰

中图分类号:TP391文献标识码:A

1　信号完整性定义

信号完整性(Signal Integrity,简称SI)指的是信号线上传输的信号质量。信号完整性问题不是由单一因素造成的,而是由板级设计中多种因素共同引起的。破坏信号完整性的原因包括反射、振铃、地弹、串扰等。随着信号工作频率的不断提高,信号完整性问题已经成为高速芯片和高速PCB工程师关注的焦点。

2　信号完整性意义及国内外现状分析

21世纪是电子产品的新世纪,缩短设计周期意味着产品必须能做到首件工作正常。随着半导体技术和深亚微米工艺的不断发展,IC的开关速度目前已经从几十兆赫增加到几百兆赫,甚至达到几千兆赫。如果信号完整性问题不能从产品的开始到设计完成前认真加以解决,将会影响产品的工作性能。信号完整性设计在国外已是一种专门的职业。IN TEL,CISCO,MO TOROLA, AMP,LUCEN T,IBM,HP等许多公司都已有自己专职的工程师。国内在该领域有些企业有专门团队进行过多年探索研究,高速信号完整性问题已经受到越来越多人的关注。

3　信号完整性已经成为设计高速芯片的关键因素之一在芯片设计方面,超深亚微米IC设计技术的研究中,除了要克服由于连线延迟引起的设计迭代之外,设计人员还要克服由于特征尺寸缩小后,信号延迟变小,工作频率提高带来的所谓信号完整性的问题。

在芯片内部工作频率提高的同时,由于集成度的大幅度上升,单个芯片中的连线长度也随之大幅度升高。单个芯片中的连线总长将达到十几公里至几十公里,其中不乏有些连线的长度达到十几米至几十米。根据物理学的基本定律,频率与波长成反比。当芯片的内部工作时钟达到几千兆赫时,相应的波长只有若干米。再考虑到电磁场的有关理论,可知当连线长度达到波长的几倍时,连线将成为向外界发射电磁波的天线,同样这些连线也会成为接收电磁波的天线。考虑到IC芯片内部连线密布,在很高的工作频率下,信号的干扰将成为一个不容忽视的问题,信号的完整性将成为设计面对的另外一个严重的挑战。

4　高速信号传输中信号完整性问题以及解决方法信号完整性不仅是决定信号时序的关键因素,还是影响芯片功能完整性的重要因素。随着串音耦合电容与内层电容比值的增加,由信号完整性问题引起的时序与功能问题越来越多。信号完整性研究物理互联(例如IC设计、版图、封装、电路板、接插件、电缆等)如何影响信号和电源分布的质量。当上升时间下降到1纳秒以下时,互连就不再是透明了,互连的电气效应将使得产品无法工作。4.1　反射是造成信号完整性问题的因素之一

传输线上的阻抗不连续会导致信号反射,当源端与负载端阻抗不匹配时,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;如果负载阻抗大于源阻抗,反射电压为正。反射回来的信号还会在源端再次形成反射,从而形成振荡。理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源V s驱动,传输线的特性阻抗为Z0,负载阻抗为R L。如果终端阻抗跟传输线阻抗不匹配,就会形成反射,反射回来的电压幅值由负载反射系数ρL 决定。ρL可由式(1)得出:

ρ

L

=(R L-Z0)/(R L+Z0)(1)从终端反射回的电压到达源端时,可再次反射回负载端,形成二次反射,此时反射电压的幅值由源反射系数ρs决定。ρs可由式(2)得出:

ρ

s

=(R0-Z0)/(R0+Z0)(2)精确计算反射系数和反射电压的关键是确定传输线的特征阻抗,它不仅仅是印制线的电阻。当印制线上传输的信号速度超过100MHz时,必须将印制线看成是带有寄生电容和电感的传输线,而且在高频下会有电介质损耗,这些都会影响传输线的特征阻抗。

4.2　串扰也是造成信号完整性问题的因素之一

在高速信号系统设计中,反射属于单信号线现象,当然包括地平面问题。但串扰不同,它是两条信号线之间以及地平面之间的耦合,所以又称为三线系统。形成串扰的根本原因是信号变化引起周边的电磁场发生变化,特别是对于高速信号,信号的上升沿和下降沿的时间可以达到ps级,高频分量非常丰富,信号线之间的寄生电容和电感容易成为串扰信号的耦合通道。传输线上分布着电感分量和电容分量,所以整个信号之间的串扰由两部分组成,即容性耦合干扰和感性耦合干扰。

容性耦合干扰是由于干扰源(Aggressor)上的电压变化在被干扰对象(Victim)上引起感应电流从而导致的电磁干扰;感性耦合干扰则是由于干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。感性串扰和容性串扰的基本分析公式如下:

X talk(ind)=(L m)/(R a×T r)(3)其中,L m为互感;R a为干扰源的终端匹配电阻;T r为信号上升沿的时间。

X talk(cap)=(R a×C m)/T r(4)其中,C m为耦合电容;R a为被干扰对象的终端匹配电阻;T r 为信号上升沿的时间。

从上面的公式可以看出,串扰的大小与很多因素有关,如信

浅谈CAD技术在建筑设计中的应用技巧

黄星华

摘　要:针对CAD技术在建筑工程设计中的重要性,阐述了CAD技术的优点,并根据多年从事AutoCAD的教学经验,介绍了AutoCAD绘图的基本命令,总结了CAD技术在建筑设计中的应用技巧,对实际操作时遇到的难题进行了解答,以期对初学者有所帮助。

关键词:CAD,建筑设计,绘图命令,绘图技巧,功能键

中图分类号:TP391文献标识码:A

CAD即计算机辅助设计与制图,是指运用计算机系统辅助一项设计的建立、修改、分析或优化的过程。通过多年的设计实践, CAD技术以简单、快捷、存储方便等优点已在建筑工程设计中承担着不可替代的重要作用。CAD技术在工程设计中的优点主要表现在:1)劳动强度降低,图面清洁;2)设计工作的高效及设计成果的重复利用;3)精度提高;4)资料保管方便;5)CAD在建筑表现图上的优势;6)设计理念的改变。CAD的智能化将部分取代设计师的一些设计工作,而CAD对设计的标准化、产业化起着巨大的推动作用。AutoCAD作为绘图软件已广泛地应用到土木工程中,因此应该以此先进的技术作为自己的绘图工具使用,对于一个建筑工程人员来说,不会AutoCAD是不能胜任现代化工程建设需要的。所以必须学习和掌握AutoCAD软件的使用,提高自己的综合水平,提高工作效益。现就几年来使用与教学AutoCAD的几点小技巧做一介绍。1　基本要求

1.1　需要掌握的重点命令(快捷命令)

1)绘图命令:

L,3L IN E(直线) PL,3PL IN E(多段线)

REC,3RECTAN G L E(矩形)A,3ARC(圆弧)

C,3CIRCL E(圆)DIV,3DIV IDE(等分) BH,3BHA TCH(填充)B,3BLOCK(块定义)

M T,3M TEXT(多行文本)IN,3INSERT(插入块)

2)修改命令:

CO,3COPY(复制) MI,3MIRROR(镜像)

AR,3ARRA Y(阵列)O,3OFFSET(偏移)

RO,3RO TA TE(旋转)M,3MOV E(移动)

E,DEL键3ERASE(删除)X,3EXPLODE(分解)

TR,3TRIM(修剪)EX,3EXTEND(延伸)

号的速率、信号的上升沿和下降沿的速率、PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端电气特性及线端接方式等。

4.3　其他因素影响信号完整性

电源、地线噪声,由于芯片封装与电源平面间的寄生电感和电阻的存在,当大量芯片内的电路和输出级同时动作时,会产生较大的瞬态电流,导致电源线上和地线上的电压波动和变化,这也就是通常所说的地跳。除了反射和串扰外,还有其他因素影响信号完整性,如振铃、开关噪声、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、端接等。

5　问题解决和结论

5.1　反射的解决方法

PCB板上传输线的反射对数字系统的性能有严重的负面影响,为了将反射的负面影响减到最小,可采取措施抑制它们。有三种方法可以减轻反射的负面影响:1)降低系统频率,使得在其他信号发送到传输线上之前,传输线上的反射已经达到稳态,但这种方法会降低工作频率,减缓系统速度,导致系统达不到设计要求。2)缩短PCB走线,减少反射达到稳态所需的时间,由于缩短PCB走线通常需要使用非常多层数的PCB板,使得成本大大提高,在实际中通常不用。另外,在某些情况下,缩短走线在物理上是不可实现的。3)在传输线上两端分别端接一个与传输线上特征阻抗相同的阻抗,以消除反射,这种方法较好。

5.2　串扰解决方法

从上面的分析来看,在高速电路设计中,除了信号频率对串扰有较大影响外,信号的边沿变化(上升沿和下降沿)对串扰的影响更大,边沿变化越快,串扰越大。所以解决串扰的方法主要从减少干扰源强度和切断干扰路径两个方面进行,有以下几个方法:1)串扰与信号频率成正比,而且在数字电路中,信号的边沿变化(上升沿和下降沿)对串扰的影响最大,边沿变化越快变频分量越丰富,串扰越大,所以尽量少地使用d V/d t高的信号,在超高速设计中可以使用低电压差分信号或其他差分信号。2)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或地平面,可以起到隔离的作用,从而减小串扰。3)加大线间距,减小线的平行长度,必须时可以以jog(凹凸)方式走线。4)对于信号速率比较高的信号,可以将它走线经过的微带线和带状线控制在地平面8m距离内,这样可以显著减少串扰。5)控制传输线阻抗,加入端接匹配电阻以减小或消除反射,从而减小串扰。

Analysis of the integrality of high2speed signal

ZHU Liang2le

Abstract:This paper introduct integrity of high frequency signal in IC,PCB board,and introduce the reason that damage signalintegrity.From theory and mathematic level,this paper analyzes that the reason cause reflecting and crosstalk of the high frequency signal.

K ey w ords:signal integrity,reflecting,crosstalk