信号完整性分析.docx

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信号完整性分析

《信号完整性分析》作者以实践专家的视角提出了造成信号完整性问题的根源，特别给出了在设计前期阶段的问题解决方案。

这是面向电子工业界的设计工程师和产品负责人的一本具有实用价值的参考书，其目的在于帮助他们在信号完整性问题出现之前能提前发现并及早加以解决，同时也可作为相关专业本科生及研究生的教学指导用书。

作品目录

第1章信号完整性分析概论

1.1信号完整性的含义

1.2单一网络的信号质量

1.3串扰

1.4轨道塌陷噪声

1.5电磁干扰

1.6信号完整性的两个重要推论

1.7电子产品的趋势

1.8新设计方法学的必要性

1.9一种新的产品设计方法学

1.10仿真

1.11模型和建模

1.12通过计算创建电路模型

1.13三种测量技术

1.14测量的作用

1.15小结

第2章时域与频域

2.1时域

2.2频域中的正弦波

2.3频域中解决问题的捷径

2.4正弦波特征

2.5傅里叶变换

2.6重复信号的频谱

2.7理想方波的频谱

2.8从频域到时域

2.9带宽对上升时间的影响

2.10带宽及上升时间

2.11“有效的”含义

2.12实际信号的带宽

2.13带宽和时钟频率

2.14测量的带宽

2.15模型的带宽

2.16互连线的带宽

2.17小结

第3章阻抗和电气模型

3.1用阻抗描述信号完整性

3.2阻抗的含义

3.3实际和理想的电路元件

3.4时域中理想电阻的阻抗

3.5时域中理想电容的阻抗

3.6时域中理想电感的阻抗

3.7频域中的阻抗

3.8等效电气电路模型

3.9电路理论和SPICE

3.10建模简介

3.11小结

第4章电阻的物理基础

4.1将物理设计转化为电气性能

4.2互连线电阻的最佳近似

4.3体电阻率

4.4单位长度电阻

4.5方块电阻

4.6小结

第5章电容的物理基础

5.1电容中的电流流动

5.2球面电容

5.3平行板近似

5.4介电常数

5.5电源、地平面和去耦电容

5.6单位长度电容

5.7二维场求解器

5.8有效介电常数

5.9小结

第6章电感的物理基础

6.1电感的含义

6.2电感定律之一:

电流周围将形成闭合磁力线圈

6.3电感定律之二:

电感是导体上流过单位安培电流时,导体周围磁力线圈的韦伯值

6.4自感和互感

6.5电感定律之三:

当导体周围的磁力线圈匝数变化时,导体两端将产生感应电压

6.6局部电感

6.7有效电感、总电感或净电感及地弹

6.8回路自感和回路互感

6.9电源分布系统和回路电感

6.10单位面积的回路电感

6.11平面和过孔接触孔的回路电感

6.12具有出砂孔区域的平面回路电感

……

第7章传输线的物理基础

第8章传输线与反射

第9章有损线、上升边退化和材料特性

第10章传输线的串扰

第11章差分对与差分阻抗

附录A100条使信号完整性问题最小化的通用设计原则

附录B100条估计信号完整性效应的经验法则

附录C参考文献

附录D术语表

心得体会

1.信号完整性分析概论

1.1信号完整性的含义

广义上来说，信号完整形式指，在高速产品设计中由互连线引起的所有的问题。

这个问题对于我们的信号有以下三个方面的影响：

1.时序

2.噪声

3.电磁干扰（EMI）

在这里时序不是本书讨论的重点，本书主要侧重于噪声和电磁干扰等问题的避免。

其中大部分为对噪声问题的分析。

噪声问题具体来说有很多种形式，例如：

振铃、反射、近端串扰、开关噪声、非单调性、地弹，电源反弹、衰减、容性负载、灵敏度、有损线等等。

如果我们将目光对准电路设计中遇到的问题的具体形式，那么貌似这些问题无穷无尽，永远没有一个系统的解决方法，只能发现一个算一个。

因此信号完成性就是从电路设计中遇到的问题出发，总结和归类各个噪声出现的原因，从而对噪声有个系统的认识和解决方法。

一般来说，与噪声有关的问题都可以从以下四个方面考虑：

1.单一网络信号的完整性：

在一个信号的信号路径和返回路径上由于阻抗突变引起的反射与失真。

2.两个或多个网络的串扰：

多个信号通路之间耦合的互电容、互电感。

3.电源和地分配中的轨道塌陷：

电源和地网络中的阻抗压降。

4.来自整个系统的电磁干扰辐射：

来自元件、系统、外界的电磁干扰。

通过上述四个方面，我们就把繁多复杂的电子设计问题转化成了具体的四个方面的考虑角度。

从而能够系统全面的认识信号传递时的噪声问题。

1.2单一网络的信号质量

当信号沿网络传播时，它不断感受着当前的信号道路的瞬态阻抗，如果信号感受到的阻抗保持不变，那么信号在传播时就能保证不失真，如果信号感受到的阻抗产生变化，信号就会在变化处产生反射，并在接下来剩余路径的传递中发生失真。

如果阻抗改变程度足够大，那么失真的程度就会更大。

什么时候互连线的阻抗会突变呢？

一般有以下几种情况：

1.线宽变化

2.层转换

3.返回路径平面上的间隙

4.接插件

5.分支线、T型线、桩线

6.网络末端

那么如何减小信号所感受到的阻抗的变化呢？

一般我们总结出三种方法：

1.使用均匀的传输线，这里要注意，任何能传递电的导体都是传输线，过孔也是传输线，传输平面也是传输线。

2.采用能够使沿线阻抗保持不变的拓扑结构的布线规则。

例如以菊花链的方式布线等。

3,在关键位置放置电阻来控制反射并设法使接收到的信号干净些。

例如在RS485通讯时，常常通过在接收和输出端接一个120R的电阻，来对传输线进行阻抗匹配，减少信号在线路上的反射。

此外，对于不同频率的信号，即使是同一条传输线，其感受到的阻抗也是不一样的。

因此我们讨论阻抗，一般都是基于某些信号频率进行具体谈论。

1.3两个或多个网络的串扰

对于两个信号网络，即使每个信号网络的传输质量都非常良好，但是对于该网络正常的信号，也会通过寄生电容和寄生电感耦合到另一条信号网络中，为另一条信号网络带来噪声。

串扰的产生是由网络之间的容性耦合和感性耦合带来的。

对于均匀的互连线，线条有比较宽的均匀返回路径，容性耦合和感性耦合大小相当，此时由容性耦合和感性耦合带来的串扰在近端和远端叠加的方式是不一样的。

此时返回路径是均匀平面，造成的串扰是比较低的。

但是一旦返回路径的均匀平面发生变化，就会增加两个传输线之间的耦合噪声。

例如当信号经过接插件且多个信号共用的返回路径是一个引脚而不是一个平面时，此时感性耦合噪声比容性耦合噪声增加的要多，也就是说，此时是感性耦合噪声起主导作用。

对于感性耦合主导的噪声，我们常常把这种串扰归为开关噪声、△I噪声、dI-dt噪声、地弹、同时开关噪声（SSN）、同时开关输出噪声（SSO）。

减小信号之间的串扰的方法：

1.采用介电质常数比较小的材料

2.减小互连线的长度，互连线越长，串扰越严重。

3.增加线之间的距离

1.4轨道塌陷噪声

噪声问题不仅仅在信号路径中产生，它在电源和地的分配网络中也是一个致命的问题。

当通过电源和地之间的电流发生变化时（例如门电路翻转或芯片输出翻转），在电源和地之间的阻抗将产生一个压降，这个压降就意味着供给芯片的电压减小了，可以看做是电源与地之间的电压的突然减小或塌陷。

现在的集成芯片的发展趋势是低电压供电、大功率消耗，因此这就意味着电源和地之间的电流更大，因此轨道塌陷的问题将越来越严重。

因此我们在进行PCB的电源设计时，如果能够使我们的电源分配网络（PDS）的阻抗最小，那么即使存在电流的开关和切换，通过较低的阻抗，最终芯片感受到的电压的压降也能保持在较小的范围内。

具体的方法是：

1.相邻电源和地分配层平面的的介质应该尽可能的薄，以使它们紧紧地靠近。

2.低电感的去耦电容。

3,封装时安排多个很短的电源和地引脚。

4.片内加去耦电容。

1.5电磁干扰（EMI）

电磁干扰问题有三个方面：

噪声源、辐射传播路径和天线。

电磁干扰的强度和频率正相关，对于共模信号，电磁干扰强度和频率成正比。

对于差模信号，电磁干扰强度和频率的平方成正比。

产生辐射的电压源大多数来自电源分配网络，因此减少轨道塌陷也能降低辐射。

对PCB添加屏蔽盒是一个不错的选择。

对于需要连接外部的线缆，在线缆上正确使用铁氧体能明显减小天线效应。

1.5信号完整性的两个重要推论

1.随着上升边沿的减小（频率的增加）上述四个问题都对变得更严重。

2.阻抗是贯穿信号完整性分型的重要内容。