信号完整性分析第一讲

.高速电路和系统互连设计中的信号完整性(SI )分析(之1-20 :高速互连和信号完整性的关系)，互连设计SI分析物理互连(互连)是芯片内外连接； PCB的内外连接等。 信号的完整性(SI，SignalIntegrity )是指信号电压(电流)波形的完整性。 高速条件下的不适当的相互连接设计会损害信号的完整性。信号完整性引起了我们周围发生的深刻变化。 面对以下事实，请想想：为什么在计算机配置中将打印机替换为USB2.0接口？ 为什么新的FPGA芯片增加了RSDS (降低振幅的差动信号)、LVDS (低压差动信号)模块和接口设计？ 什么样的接口适合于严酷的实时图像信号的收集和传输？ USB，IEEE 1394，1394 a还是b？ 高速系统设计的瓶颈是什么？ 有必要探讨我国过去信号完整性的研究和应用的现状吗？ PS在国内很疏远，很熟悉。 原本应对噪音的“三大法宝”，是接地滤波器屏蔽，非常感性粗放，已经落后很多。 目前，对SI量化和细分的研究逐渐呈现出浓厚的热情，已有一定的基础。 电子设计者需要普及SI知识，理解高速电路互连的SI机制，掌握SI分析和互连设计。 在最近的翻译中，信号完整性分析、数字信号完整性、抖动、噪声与信号完整性、芯片及系统中的电源完整性建模与设计、0.0信号完整性意味着英语的人格完整性，意味着诚实、忠诚、完美。 虽然没有中文，但是可以把“完全”这个词义比较起来。 其他还有电源完整性、数据完整性和电磁完整性。 热完整性等。 信号完整性(SI )是指信号电压(电流)的完美波形形状和质量。 由于物理互连产生的噪声和噪声，布线上的信号波形的外观变差，发生了被称为损坏了信号完整性的异常形状的变形。 信号完整性问题是当物理互连高速时的直接结果。 信号的完整性强调了信号在电路上正确响应的能力。 广义信号完整性(SI )是指由各种信号、数据、电源布线引起的所有电压、电流不正常的现象，包括噪声、噪声、时序抖动、数据传输等。 狭义的信号完整性是指信号电压(电流)波形的形状和质量，主要包括反射和串扰。 物理相互连接使其上的信号波形劣化(劣化)，出现异常的变形，信号的完整性被破坏。 噪音可以转换为抖动，请参见DSI2.65表达式。 信号完整性的劣化是物理互连的设计不正确，在高速环境下工作的直接结果。0.1高速意义现代数字电子系统突破了1GHz的壁垒，芯片/PCB/系统的设计面临着越来越突出的信号完整性问题。 100MHz时钟以上的高频产品，模糊地被称为高速数字芯片和系统。 严格地说，高频不一定是高速的低频也不一定是低速。 准确地说，当系统中的数字信号的上升沿小于1纳秒(ns )时，我们被称为高速运行。 在这种情况下，相互连接不再透明，可能会给电路和系统带来霸权的结果。 信号不完整是直到互连不适当地高速遇到才出现的直接结果。0.2所有在互连范围内的电子产品都可以解释为零件及其互连。 归根结底，可以看作是在不同水平上“编织”的作品。 物理互连有四个级别：芯片内连接、芯片封装、PCB和系统互连。 决定高速信号、数据和电源的质量。 三个高密度载波是芯片系统SOC、板级系统SOB和封装系统SOP。 真正的各层布线是芯片内的各种布线和孔、焊盘、封装引线、引线。PCB板的布线连接器、线、通孔、连接器各种连接电缆。 包括各种无源元件的电阻、电容器、电感介质、电路板、屏蔽外壳、外壳、机架等。 每个级别的设备都有不同的看法。 把这些视为驱动源和接收机宏模型。、图0-0的5种PCB和系统级的布线形式，电路图表示部件及其布线关系。 在相同的网络中，电属性相同，其互连拓扑关系可以是：点到点； 星形集群(starcluster )是菊花链或长传输线，其中每个装置通过相同长度的传输线连接至中心节点，而每个装置通过短桩线连接至主传输线。 从这一点来看，周期性加载远端集群的菊花链的图0-1单个网络的各种互连拓扑情况、图0-2高速IEEE-1394视频采集系统、0.3信号完整性分类信号完整性研究的主要对象是数字信号，人们正在谈论的是这是由数字信号的非理想的劣化出现的模拟效果。 主要内因含有非常短的数字信号的前后边缘(简称为前端)丰富的高频成分。 按照常规说法，目前的信号完整性研究主要分为芯片和PCB两个点。 两者在原理上是相通的，在技术上是不同的。 SI的分析和测量，有时域和频域两种视点和路径。 物理布线本身的电阻、电容、电感、传输线效应影响了系统性能。 SI分析书作者埃里克把结果总结成四种SI问题：反射(reflection )串扰轨道折叠(railcollapse )电磁干扰(EMI )。 这个区分是一家之言！ 这本书是入门书，后者两种没什么关系。图0-3四种信号完整性问题的图解，埃里克在研究信号完整性时把互连对系统电性能的影响本质上归结为四种噪声问题：反射、串扰、电源噪声(SSN引起的轨道崩溃)、EMI。 为了分析对系统的干扰和噪声，需要建立各种互连模型。 反射意味着在传输线路上存在回声(echo )。 信号功率(电压和电流)的一部分通过传输线传输到负载侧，一部分被反射，形成振铃。 过冲：最初的峰值或谷值超过设定电压的下冲：下一个谷值或峰值超过设定电压的振铃：重复过冲和下冲。图0-4的实际相互连接的阻抗不匹配例，多分支更是如此，图0-5的振铃曲线是由阻抗不匹配引起的反射引起的，图0-6PCB基板上的单线连接有源端子串联电阻40 (红色)、无源端子串联电阻(蓝色)负载端子的不同电压信号、时钟发生串扰的一方称为Aggressor，受干扰的网络称为Victim。 通常，每个网络都是Aggressor或Victim。图0-7互连的远端和近端串扰状况，电源噪声主要指同步开关噪声(SSN )。 地弹是反馈路径中两点之间的电压，是因为电路中的电流突然变化而产生的。 接地电路电感中流动的电流变化时，接地电路导线上产生的电压称为地弹。 在电源分布系统(PDS )中，轨道陷落是指地/电源网络的阻抗上的电压降导致末端供电设备的净电压不足或过高。图08的三种电源噪声和地弹的状况、图09的pcb的EMI状况、传输线路破损而引起数据的完整性(DI )问题，传输线路破损而上升沿劣化，引起符号间干扰或ISI，形成抖动，所谓的数据的不良当频率超过1GHz时，介质损耗的增加与频率成比例，线路损耗与频率的平方根成比例(注意，这里的参数是频率)。 FR4介电损耗危害程度的例子： 10英寸输送后，上升边增加到100ps。图0-10损伤线引起的上升边的退化，SI的4种分析，记述手段和路线，分析经验规则近似的数值模拟(有场和道两种方法)实测。、SI模拟软件spice(IC重视的模拟程序) Mentor公司： HyperlynxCandence公司： SigXP(SigXplorer)Agilent公司： ADSAnsoft:HFSS (矢量网络分析器(VNA )时域反射计(TDR )。，阻抗分析器：频域，正弦电流源电压表(直接测量)矢量网络分析器(VNA ) :频域，电压源电压表(间接测量)时域反射计(TDR ) :时域，信号源示波器(间接测量)。 与图0-11相同的信号线反馈路径的变更例：信号线从1通过电源2、地面3到达4。 反馈电流经由电源接地间的电容性耦合，从第3层转移到第2层。，0.8高速互连设计的初始高速互连是信号不完全的直接根源。 为此，必须明确地设计互连的结构和参数，在进行了尽可能全面的系统级模拟之后，进行硬件的安装。 为了解决信号完整性问题，只能采用新的设计方法学和新策略。 新技术的内涵是采用分析工具和技术，有规律地设计芯片和系统，建模仿真和辅助测量。 在制造前附加后，完成信号完整性的设计和验证。在当前通信中，采用并-串/串-并转换(SERDES )，具有实现高速数据传输线的效果。 时钟信息被嵌入在比特流中，并且从数据流再现时钟和数据(CDR，时钟数据恢复)。 采用Serdes的效果是降低PCB电路板的布线密度，同时提供点对点连接，消除