信号完整性学习总结.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.03M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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信号完整性信号完整性分析分析分析分析信号完整性信号完整性学习学习学习学习总结总结总结总结海浩海浩海浩海浩 2013.05.03 ～～～～ 2013.09.12

X X 1. 2. 3. 4. TX AC debug layout review 学习学习学习学习的原因的原因的原因的原因在工作中遇到，硬件等工作内容都直接与信号完整性分析相关，比如差分线阻抗的含义，反射、过冲、地弹产生的原因及解决办法等。大多数情况下，在问题面前即使有一定的定性分析的想法，但是如何定量确定具体参数就很难做到。比如端接电阻要距离发送端近才有作用，可是多近才算近呢？再比如两根单端信号线应保持一定间距，在具体情况中具体应为多少呢？另外以后在参与硬件电路设计时，若不具备信号完整性相关知识，会导致很多设计无从下手或者埋有隐患。听说在其他公司比如为，高速产品硬件设计部门的应届毕业生最先开始的专兴、业培训或学习就包括信号完整性分析。我所在的公司没有相关培训，而我在本科阶段又完全没有接触过高速电路的学习，因此很有必要系统地学习一遍信号完整性分析的理论知识，以利于今后的工作。学习的学习的学习的学习的目标目标目标目标本着寻根究底的原则，学习时要搞清楚基本原理。所谓“基本”，对我来说就是达到能够解释实际应用中的各种设计原则的程度，或者能让自己觉得不用再深究的程度。但绝不是单纯地归纳一些设计规则。希望通过这次学习，可以至少能解答以下问题。并培养出对信号完整性的直觉，建立充分的量化思维观念。（虽然工程上的最高境界是不需要计算，只根据直觉和经验就能估出一个可供使用的结果，但是达到这种境界是以曾经进行过无数次量化计算为前提的。）耦合电容放在为何端；为何有的电源或地平面要挖掉一块；反射；串扰；地弹；眼图；开关噪声；学习学习学习学习的的的的过程过程过程过程及写学习总结的及写学习总结的原原原原因因因因及写学习总结的及写学习总结的日开始，主要学习了《信号完整性分析从年月》（著，李玉山等译）一书，此外参考了某些公司的内部资料，遇到不易理解李丽平和书中没有详细讲解的内容，会到网络上查找参考资料。由于有段时间工作比较忙，导致总月份才写完。结直到学习过程中，遇到认为比较重要的知识点就记录下来。但是阅读完全书之后发现这些知识点还是很零散，有的前后文有联系却分得比较开，这样导致我阅读完之后获取的新知识不成体系，不利于理解和记忆。书中有的知识点对我来说并不重要，却占了不少篇幅，也花了不少时间学习，这样导致我分不清知识点的主次。所以我决定根据自己的学习经验，提取和简化书中的内容，写一篇学习总结，以便于自己理解。顺便再浏览一遍全书，以加强知识的掌握程度。也希望这篇总结能作为更快速入门的参考资料，对将来的从业新人有所帮助。 Signal Integrity: Simplified Bogatin 2013 5. 6. 7. 4 10 9 Eric

/ 1ns 100MHz 信号完整性信号完整性是什么是什么是什么是什么意思意思意思意思信号完整性信号完整性信号完整性是指，信号在传输线上的质量。具有良好的信号完整性是指信号传输的质量好，即信号在从源端传送到终端的过程中，其失真的程度在要求的范围内。（这个要求的范围是多少，取决于所传输的信号适用的协议规范，而这些规范根本上是取决于接收器件的输入级的阈值电平。）从微观的角度讲，信号完整性研究的是自由电子在电场和磁场的作用下是如何运动的，以及这种运动会造成什么电气特性（电压）上的影响，这是学完之后的体会。但是曾经听到一句话，电子电路不研究微观电子的运动，因为微观电子的运动是离散的不均匀的，而很多理论是假设电流在宏观上是均匀分布的。不过在学习过程中我发现有时还是需要考虑电子分布，比如趋肤效应。什么时候需要考虑信号完整性什么时候需要考虑信号完整性问题问题问题问题什么时候需要考虑信号完整性什么时候需要考虑信号完整性通常认为是高速或上升边小于高频电路设计时需要考虑，如时钟频率超过。这只是大致情况，学完之后要能从根本上回答这个问题。简单说，当信号失真程度超出要求了就应该考虑信号完整性问题。但若想明确地知道何时该考虑何时不用考虑，除了需要丰富的经验外，理解造成信号完整性问题的根本原因，才是最好的分析办法。信号从源端传输到终端的过程中，会产生失真，所以问题出在传输过程中。而其传输线路本身具有电阻、电容、电感的特性，传输线路中的电信号会对这些无源器件产生作用，这些无源器件反过来对电信号产生作用，以及附近的电信号产生的电场、磁场对这些无源器件和电信号的作用，是造成信号失真的根本原因。因此，研究信号在传输过程中，传输线（电阻、电容、电感）与电信号是如何相互作用的，有助于理解信号完整性，并判断何时应该考虑信号完整性问题。信号完整性问题通常有哪些信号完整性问题通常有哪些信号完整性问题通常有哪些信号完整性问题通常有哪些书上说主要包括四类：单一网络的信号完整性，如反射、地弹等。两个或多个网络之间的串扰。电源和地分配中的轨道塌陷。由于电源到地的回路中存在阻抗，导致输送到终端的电平失真。这其实也可以归入单一网络的信号完整性，这个网络有共同的电源和地，但包括多个分支。来自整个系统或系统外的电磁干扰和辐射。这其实也可以归入两个或多个网络间的串扰。所以我认为信号完整性问题也可以归为两类：一类是，单一网络的问题；另一类是，多个网络间的问题。提示 ᑁᡃȉ̂ᑮḄA᎛`ᳮYᐜᨵᓺȜ☢ᑮȜᨵOɜᯠᜧɡḄɣY஺ 改变对导线的认识改变对导线的认识改变对导线的认识改变对导线的认识在接触高速电路之前，我一直是认为传输信号的导线只不过是个的电阻而已。为什么我会这么理解我也不知道，可能是书本和老师都讲的这么理想化，或者自己最初接触电路的时候觉得这种理想模型理解得容易，后来形成既定思维再也没有怀疑过。但是，在高速电路中再也不能这么草率地对待导线了。前面提到过，导线具有电阻、电感和电容的特性，由于其中的电容和电感对信号的作用 0Ohm 1. 2. 3. 4. Comment [hair1]: Comment [hair2]: 待解疑问：什么样的电路是高速电路？信号在传输过程中还有一个重要特性，就是从源端到终端有时延。想想这种时延会造成什么影响吧。轨道塌陷一词是引用书中的翻译。但是我认为塌陷只体现了电源或地的电位下降，但要注意也会有上升的情况。书中本来没有提到，我自己加上去的。 Comment [hair4]: Comment [hair3]:

程度与信号的频率有关，所以涉及高速电路时需要考虑传输线对变化的信号如何作用的。另外此处需要解释几个概念：导线、互连线、传输线。（只是我的理解，有待核实）导线：一段可以导电的金属线。体现不出其两端是否接有器件。互连线：两端接有器件的导线。传输线：包括信号路径和返回路径的互连线。至少有两根线。学习的过程中，要先搞清楚最基本的导线是什么样，但信号完整性的最终目的是要理解传输线。传输传输传输传输到底是什么样到底是什么样到底是什么样到底是什么样信号路径返回路径信号路径返回路径任何互连线建模最简单的出发点就是用种理想集总电路元件（电阻、电容、电感）或分布元件（理想传输线电路元件）的一些组合。建立了传输线线电路模型后，下一步就是提取参数值。为了理解传输线，接下来要先分别学习一下电阻、电容、电感具有什么特性，以及它们的有关参数。有了这些基础知识以后，再学习它们在信号传输的过程中所造成的影响就容易了。 3 Comment [hair5]: L C R 建模就是将物理设计中线的长、宽、厚和材料和的电气描、特性转化为述形式。

R ρ R cm l • • cm • S ρ= S ρ 2cm · 电阻的电阻的电阻的电阻的特性特性特性特性对于均匀横截面的导线，电阻值为：其中：表示导线的体电阻率，单位为为互连线两端的距离，单位为表示横截面积，单位为这也是很早就被我接受的求电阻值的公式。（但是，在后面会讲到趋肤效应对导线电阻造成影响，书中给出的描述是导线的电阻在高频时增加。仔细想想其实此公式依然成立，因为趋肤效应的表现是电流趋向于靠近导体表面流动，这样电流实际经过的横截面积减小，而和参数不变，结果导致增大。至于为什么会有趋肤效应，后续再学习。）为什么要学习电容为什么要学习电容？？？？为什么要学习电容为什么要学习电容因为即使两导体间没有直接的连线，也会有电容存在。而在某些情况下，电流可以流经电容，这就造成不同互连线之间互相干扰，影响信号完整性。不管距离多远的互连线之间都有电容存在，只是容值大小有别，也就是说，只要存在两条以上的互连线，就应该考虑电容的影响（只不过其影响有大小之分，我需要先通过定量计算获得理论值，经过多次实践后获得何时需要考虑何时不需考虑的模糊临界值，建立经验之后通常不再每次都定量计算了。）。也就是说电容是电流的潜在通路，而在电路中不可能没有电容，所以要学习电容。电容的电容的电容的电容的电特性电特性电特性电特性电容是由两个导体构成的，任意两个导体之间都有一定量的电容（只是有大小之分）。如果给两个导体分别加上正电荷和负电荷，则两导体间就会存在电压。这一对导体的电容量就是单个导体上所存储的电荷量与导体间电压的比值：其中：表示电容，法拉（））表示总电荷数，库仑（表示导体间电压，伏特（）提示 _ᵯȚAᵯʖ2ᵯ₹PȑḄ[஺ 理想电容器中，被介质材料隔离开的两个导体间没有直流通路。那么在什么情况下才会使电流流过绝缘介质呢？答案是，当导体间的电压变化时。流经电容的电流可表示为：提示 _ḄᵯȚ5ᓄAᵯʖ_ḄᵯᜧḄ[஺ 公式表明，电容两端电压变化时会有电流流过，电容量越大则流过电容的电流越大，也就是说电容器的阻抗越小。为什么两绝缘的导体间会有电流流过呢为什么两绝缘的导体间会有电流流过呢？？？？为什么两绝缘的导体间会有电流流过呢为什么两绝缘的导体间会有电流流过呢 Q V C = Q V C= C V dV dt C ∆ Q t ∆ F I = Comment [hair6]: page Comment [hair7]: 参见学习电容的理由很多，这里只是从学习信号完整性的角度来分析原因。后续还有很多地方的表述的定义域也只是在信号完整性直接相关的领域。 Comment [hair8]: 实际的电容器，由于介质材料只是具有较大的阻抗，并非完全断路，所以存在很小的直流电流。但此处不必考虑这么细致。

0 : C pF C FR4 0ε A h 0ε= h A 0.225pF/in 0.089pF/cm 两导体间没有真正的电流流过，然而却有等效电流。电流产生的本质原因就是电荷的流动，而改变电容器极板上的电荷量必然会产生电荷的流动。在一个极板上加上正电荷，其电荷量从开始增加，与此同时另一个极板上就有等量的负电荷被电场吸引过来，也就是说有等量的正电荷流出该极板。所以从电容器两端看上去，一端不断有正电荷流入，另一端不断有正电荷流出，这就是电流。只不过电流只发生在极板上电荷量改变时，即极板两端电压发生改变时。另外可以看出，这种电流的方向一定是交替变化的。扩展知识 ΅ɴOᦔᵯO“O”ᵯᵯN᱄ ȂAaᨬA?3ʠ஺ 电容的电容的电容的电容的几何几何几何几何特性特性特性特性把电容看成两个平行板是一种很常见的近似它们之间的介质是空气，电容量可表示为：其中表示电容量，表示自由空间的介电常数，为或表示平板的面积表示平板间距公式表明，电容器的几何特性是：导体间距越大，电容量越小；导体重叠面积越大，电容就越大。扩展知识 ʹʥᶍȽḄᵨᡠᵯ[஺ 单位长度电容单位长度电容单位长度电容单位长度电容板上传输线的单位长度电容大约为。为什么要研究介电常数为什么要研究介电常数为什么要研究介电常数为什么要研究介电常数看上去传输线周围的介质基本上都是同一材料，介电常数是固定的，对电容的影响也是固定的，似乎定性分析时可以忽略这项参数。但是在某些情况下另当别论。比如电路板有很多层，处于表层和处于内层的传输线周围的介质是不一样的，表层传输线电容的介质包括基板、阻焊层和空气，内层传输线电容的介质比较单一，所以当传输线在表层和内层之间切换的时候，会发生电容介质的变化，对信号完整性造成影响。再比如我真实遇到的一种情况，我们设计的板上贴有，位置处于的高速线上，后来由于客户对信号的质量要求非常高，我们就把它们移到其它地方，改变了一小段传输线的介质环境，造成隐患。原因就是这看上去无关紧要的介电常数介电常数介电常数介电常数导体间的绝缘材料会增加（相对于导体间是空气介质的情况）他们之间的电容量，这一引起电容增大的材料特性称为相对介电常数。它是相对于空气的介电常数，其值是一个比值，所以没有单位。而空气的介电常数是，所以通常去掉相对二字，简称介电常数。介电常数是材料的固有特性，与几何结构无关。其度量方法是：比较一对导体被空气包围时的电容量 0C 和被绝缘材料包围时的电容量，如下： 3.5pF/in 12Gbps 50 Ω C label label 1 Comment [hair9]: 2 Comment [hair10]: 导体距离附近某个表面越近，它的电容量就越大。当趋于无限近的时候（几乎接触），此时的容量表现是怎样？如解理解？有一条经验法则，当平板的边长等于平板间距时，板间的实际电容约等于平行板近似预测电容值的倍。注意考虑信号线所处的立体空间。 Comment [hair11]:

=ε C r C 0 1. 2. 公式表明，介质的介电常数越大，则导体间的电容量就增大。同一材料的介电常数在不同频率时略有不同，为了消除疑惑，在提到介电常数时有必要指明相应的测量频率。提示 6ᵯḄʖᢣᵯ᩽ʥᡠ˯ḄᵯȽḄᵯȑḄȕ9ᑁᒹȞḄᡠᨵ஺5 ʖᜐ᩽ʥ_Ḅʖᒹ>OᵯOḄZ̠ʖᨵḄ⌚L⁯8ᡃQO ᨵᦔȕ9 ஺ 什么时候需要考虑介电常数的影响什么时候需要考虑介电常数的影响什么时候需要考虑介电常数的影响什么时候需要考虑介电常数的影响待续。对电容的学习告一段落，接下来学习电感。为什么要学习电感为什么要学习电感为什么要学习电感为什么要学习电感当电流变化时电感两端会产生电压降，从而影响用电器件的供电电压，而在电路中不可避免有或多或少的电感存在，因此要研究电感。虽然有时候电感的这种影响可以忽略，但是如果不先研究又怎么能知道在什么时候可以忽略？（学习电感的原因有很多，这里只是举个对我来讲比较容易理解的例子）如何学习电感如何学习电感如何学习电感如何学习电感通过三个基本定律。电感定律之一：电流周围将形成闭合磁力线圈电感定律之二：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（韦伯值就是匝数）。，其中表示电感，单位为；表示导体周围的磁力线匝数，单位为；表示导体中的电流，单位为。电感定律之三：当导体周围的磁力线圈总匝数变化时，导体两端将产生感应电压。，其中表示导体两端的感应电压，表示表示磁力线匝数的变化量，匝数变化经过的时间。，式子表明导线两端所产生的电压和导线中电流变化的快慢有关。该电压的极性将使其所产生的感应电流阻碍原电流的变化。电感的分类电感的分类电感的分类电感的分类自感：流过单位安培电流时环绕在导体周围的磁力线匝数。自感：导体中流过单位安培电流时，环绕在该导体周围的磁力线匝数。 =⇒      L = ∆ N ∆ LI L = V = V = = L dI dt N I ∆ N∆ Wb I A H N N I N t ∆ V L V ∆ t t∆ 3. t ∆

b ( b b b a ) ) = ab ) a a ( b ( = N − N − L ) × I ( L b N total L − b L 互感：某一导体流过单位安培电流时，环绕在另一导体周围的磁力线匝数。回路电感：流过单位安培电流时，环绕在整个电流回路周围的磁力线总匝数。回路自感：完整电流回路流过单位安培电流时，环绕在该回路周围的磁力线总匝数。回路互感：某一完整电流回路流过单位安培电流时，环绕在另一回路周围的磁力线总匝数。局部电感：其他地方没有电流存在时，环绕在该段导线周围的磁力线总匝数。局部自感：仅在一段导线中有单位安培电流，而其它地方无电流存在时，环绕在该段导线自身周围的磁力线匝数。局部互感：仅在某一段导线中有单位安培电流，而其他地方无电流存在时，环绕在另一段导线周围的磁力线总匝数。有效电感、净电感或总电感：当整个电流回路流过单位安培电流时，环绕在一段导线周围的磁力线总匝数，其中包括回路中每一部分电流的磁力线。等效电感：多个电感的串联或并联相对应的单个自感的大小，其中包括互感的影响。地弹地弹地弹地弹定义：由返回路径的有效电感所产生的电压称为地弹。支路信号路径支路返回路径周围磁力线总匝数：支路的总电感。为支路是返回路径，则返回路径上的地弹电压为：如果支路减小地弹电压的途径：尽可能减小回路电流的变化，即限制边沿变化率和限制共用返回路径的信号路径数目。尽可能减小 totalL 。即减小支路（返回路径）的局部自感和增大两支路间的互感。减小自感应使返回路径尽可能短、尽可能宽；增大互感应使两支路尽可能靠近。自己补充一条：还要减小其它回路对返回路径的影响，不只是共用返回路径的那些。））））和回路电感电源分布系统电源分布系统（（（（和回路电感电源分布系统电源分布系统和回路电感和回路电感谈到“信号完整性”时，通常会考虑到反射问题和信号网络间的串扰问题，但这些只是信号完整性问题的一部分，另一些问题则与信号路径无关，而是归因于电源路径和地路径，。称为电源分布系统或电源分布系统的作用是为每个芯片的电源焊盘和地焊盘间提供恒定的工作电压。而每个芯片的工作电流经常会发生变化，电流的变化会导致在上的电感产生电压降，称为轨 V gb PDS ( L b PDS PDS ) × − L = L d d I t d d I t 1. × total = 2. 3. ab

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