电子电路信号完整性及影响因素.ppt

第1章基本知识 1 1信号与信号完整性 SignalIntegrity 1 2频率与时间1 3时间与距离1 4集总系统与分布系统1 5 3dB频率与上升时间1 6四种电抗1 7高速数字系统中的电阻 电容和电感元件 1 1信号与信号完整性 SignalIntegrity 信号 使用非常广泛 从信息论的角度 信号是信息的一种物理体现 是信息的载体 广义地信号定义为一个随时间 和位置 变化的物理量 模拟信号 在规定的连续时间范围内 信号幅度值可以取连续范围的任意数值 简单地讲 是指时间和幅度均是连续的物理量 数字信号 在时间和幅度上都量化后取得的信号 它是以某种时间间隔依次出现的数字序列 简单地讲 是指时间和幅度均是离散的物理量 一 数字信号 1 理想的数字信号数学模型1 数学模型2 2 实际的数字信号 上升时间 tr 数字信号上升沿中对应满幅度电压的10 90 处的时间间隔 下降时间 tf 数字信号下降沿中对应满幅度电压的90 10 处的时间间隔 上冲 Overshoot 上冲又被称为过冲 它指的是沿着信号边沿的跳变方向 信号波形中超出稳定的 1 或 0 状态电平的部分 对于上升沿 是从 0 到 1 的跳变 在高电平处高于逻辑电平 1 稳定电压值的部分 对于下降沿 这应是从 1 到 0 的跳变 在低电平处低于逻辑电平 0 电压稳定值的部分 下冲 Undershoot 又称反冲 指信号在过冲后 又沿着跳变方向的反方向 信号波形越过稳定的 1 或 0 状态电平的部分 对于上升沿 即 从 0 到 1 的跳变 信号上冲后 反过来又低于逻辑电平 1 的稳定电压值的部分 对于下降沿 即 从 1 到 0 的跳变 信号过冲后 反过来又高于逻辑电平 0 的电压稳定值的部分 占空比 DutyCycle 时钟信号在一个周期内的高低电平的时间宽度之比 一般用百分比来表示 如果信号脉宽t 周期T 则占空比为 t T 100 振铃 Ring 信号发生连续多次的上冲和下冲所形成的震荡 其振幅应是一次比一次小 逐渐趋于零 噪声容限 NoiseMargin 是量度逻辑电路在最坏工作条件下的抗干扰能力的直流电压指标 它规定了ECL电路在稳定状态时允许的最大噪声 定义为最差输入逻辑电平值 VIHmin或VILmax 与在这种输入条件下所能保证的最差输出逻辑电平值 VOHmin或VOLmax 之差 这里有两个噪声容限定义 表示高电平状态时的噪声容限 表示低电平状态时的噪声容限 二 信号完整性 信号完整性涉及到两个方面 信号波形的完整性和时序的完整性 信号波形的完整性 经常提及的术语即上述的五个基本概念 这就是 信号的上升时间 下降时间 上冲 下冲 振铃 以及接收端的信号还存在多大的噪声容限 时序完整性主要关注的是同步时序方程是否能满足 经常涉及到是时序偏差 Skew 和抖动 Jitter 的概念 时序偏差 时序信号的理想 沿变 和实际上的 沿变 之差 在实际系统中 造成时序信号的 沿变 与理想 沿变 存在差别的一个主要原因是逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着差别 因此 人们也常直观地将时序偏差定义为器件输出时序信号的传输延迟之差 两类时序偏差 从更广义的角度出发 由于器件之间连线延迟的不同 或者负载条件的不同 都有可能引起时序信号的实际 沿变 与理想的 沿变 不同 可以分为两类 内部时序偏差 IntrinsicSkew 由逻辑器件内部产生 表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别 外部时序偏差 ExtrinsicSkew 由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别 时序抖动 当实际信号的边沿与理想时序边沿的偏离由于受某种因素 如噪声 串扰 电源电压变化等 不断发生变化时 而且这种变化是随机的 这种现象就是我们常说的时序抖动 或者说时序晃动 这种偏离相对于理想位置可能是超前 也可能是滞后的 时序抖动的数值表示通常有两种 1 时钟抖动的最大值 即峰 峰值 Peak Peak 单位 ps2 时钟抖动的均方根值 即所谓的标准方差 单位 ps数字信号的边沿抖动 对系统的影响可以认为是一种动态行为 或者说其影响是随机的 对系统性能破坏更大 尤其是时钟信号的抖动 常常是制约高速数字系统性能的根本因素 实际的数字信号 要点 在高速数字系统设计时 实际的数字波形必须考虑 既 要保持信号的完整性 信号完整性涉及到两个方面 波形完整性和时序完整性 波形完整性要素 上升和下降时间 上冲和下冲 振铃 噪声容限 占空比时序完整性要素 同步时序方程 时序偏差 时序噪声 1 2频率与时间 电路元件的参数对频率敏感 在不同的频率范围内会表现出来不同的特性 任何一种电参数 其数值仅在一定的频率范围内有效 考虑两个极端情况 1 一个频率为10 12的正弦波波形变化一个周期需要3万年 若输入到TTL电路 其输出电压每天变化不到1mV 1年 3 15 107秒 任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告终 2 一个频率为1012的正弦波信号周期为1ps 数字电路根本无法响应这个信号 一些电路参数发生变化 如地线的电阻由于趋肤效应由0 01 1KHz 变为1 还有50 的感应电抗 膝频率与上升时间 任何数字信号的膝频率只与数字信号的上升 tr 和下降沿时间 tf 有关 而与时钟速率无关 容易看出 上升沿时间越小 膝频率越大 上升沿时间越大 膝频率越小 数字信号重要的时域特性基本上都是由Fknee频率以及其以下的频率成分所决定 两个重要结论 任何电路若对频率Fknee及其以下频率有平坦的响应曲线的话 那么信号通过此电路不会失真 数字电路对高于其Fknee以上的输入频率成分的相应不会影响到对正常的低于Fknee的信号的处理 膝频率的应用 膝频率只与数字信号的上升 tr 有关 与其它参数无直接关系 易于记忆和使用 膝频率只是对数字信号最高频率成分的一个粗略估计 而不是对频谱成分的一个精确描述 膝频率是有局限性的 任何电路若对频率Fknee及其以下频率有平的响应曲线 那么信号通过此电路不会失真 如果一个系统在Fknee频率以下的响应并不平坦 那么会对信号产生怎样的畸变呢 要点 电路的高频响应影响它对短时间事件的处理 电路的低频响应影响它对长时间事件的处理 数字信号的能量大都集中在它的膝频率以下的频率范围 电路在低于膝频率的频率范围的行为确定了它对阶跃信号沿的处理 电路在高于膝频率的频率范围的行为对其数字信号的性能没有什么影响 1 3时间与距离 电信号以光速传播 我们关心信号在具体电路中传输所需要的时间 以及单位时间内传输的距离 也就是说 单位传输延迟时间和传播速度 导线和印刷电路板连线上的电信号 其传播速度取决于它们周围的介质 单位 in ps cm ps cm ns 1in 2 54cm r 介电常数 相对介质常数 表征介质材料在单位电场中存储的能量大小 真空中 r为1 其它任何绝缘材料均大于1 传播速度的倒数称为单位传输延迟时间 其数值正比于材料介电常数的平方根 单位 ps in ps cm ns cm 单位传输延迟时间 印刷电路板连线的单位传输延迟时间取决于两方面 印刷电路板材料的介电常数 常用的FR 4印刷电路板材料的介电常数为4 7 20 在高频时为4 5 计算传输延迟时间时 使用其高频值 4 5 连线的几何形状决定了印刷电路板上的电场是被约束在板上还是发散到周围的空气中 当电场被约束在板上时 其等效介电常数较大 信号传输就慢 当电路连线被上下两层地面板夹在中间时 其电场就完全被约束在板内 对于典型的FR 4印刷电路板材料 等效介电常数大约为4 5 印刷电路板外层的连线 其电场一面向空气中分布 另一面存在于FR 4材料中 其等效介电常数介于1和4