信号完整性基础

信号完整性基础知识术语、符号和缩略语术语1．信号完整性（Signal Integrity）信号完整性是指信号在信号线上的质量。

信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。

2．传输线（Transmission Line）传输线是一个网络（导线），并且它的电流返回到地或电源。

3．特性阻抗（Characteristic Impedance）组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输时，信号的跃变电压（V）和跃变电流（I）的比值称为特性阻抗（Z0），即Z0=V/I。

4．反射（Reflection）反射就是在传输线上的回波。

信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。

如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。

5．串扰（Crosstalk）串扰是两条信号线之间的耦合。

信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

6．过冲（Overshoot）过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。

对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压。

过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。

7．下冲（Undershoot）下冲是指下一个谷值或峰值。

过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。

8．电路延迟指信号在器件内传输所需的时间（T pd）。

例如，TTL的电路延迟在3 ~ 20nS 范围。

9．边沿时间器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间（信号波形的10~90%），通常表示为上升沿（T r）。

器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间（信号波形的90~10%），通常表示为下降沿（T f）。

10．占空比偏斜信号传输过程中，从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间的差别，称为占空比偏斜。

TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其输出的上升沿和下降沿延迟不同。

确保信号完整性的电路板设计准则确保信号完整性是电路板设计中非常重要的一项考虑因素。

在设计电路板时，我们需要采取一系列措施来最大程度地减小信号丢失、串扰和其他干扰因素的影响。

本文将介绍一些确保信号完整性的电路板设计准则。

1.合理布局电路板合理布局电路板是确保信号完整性的基础。

首先，重要信号线应该尽量短、粗，以减小信号传输过程中的阻抗和反射。

其次，分析电路板上的信号传输路径，避免信号线与功率线、地线等产生干扰。

最后，在布局时应该考虑到信号传输的方向及层叠布局，以最小化信号耦合和串扰。

2.合理走线合理的走线是确保信号完整性的关键之一。

信号线应该尽量直接地连接信号源和接收器，避免多路分叉和过长的走线。

同时，信号线的宽度和距离应根据信号特性和频率来选择，以减小阻抗和串扰。

3.差分信号布线在高速电路板设计中，差分信号布线技术可以显著提高信号完整性。

差分信号传输方式允许通过两根线同时传输一个信号，从而抵消外界干扰并提高抗干扰能力。

在布局和走线过程中，需要将差分信号线相互靠近，保持一定的差分距离和间距。

4.误差、反射和阻抗控制在电路板设计中，误差、反射和阻抗控制是确保信号完整性的重要因素。

为了最小化误差和反射，可以采用终端电阻、阻抗匹配电路和终端电容等技术来调整信号的阻抗匹配。

此外，要合理选择电路板材料和绝缘层厚度，以控制信号的传输速度和阻抗。

5.地平面设计合理的地平面设计对于信号完整性至关重要。

地平面的作用是提供稳定的地引用，减少信号线与地线之间的串扰和阻抗问题。

在布局和走线过程中，需要将地线面分布均匀并靠近信号线。

6.屏蔽和过滤对于一些特殊的电路板设计，可能需要考虑采用屏蔽和过滤技术来进一步提高信号完整性。

屏蔽技术可用于隔离外界电磁干扰，而过滤器可用于滤除无关信号和噪声。

7.模拟和数字信号分离在某些情况下，模拟和数字信号需要进行分离以防止干扰。

在布局和走线过程中，模拟和数字信号线应尽可能独立分离，以减小相互干扰的可能性。

摘要如果您刚刚接触信号完整性分析，或者需要温习这方面的基础知识，那么本白皮书将是您的最佳选择。

在介绍基础知识之前，本白皮书首先回答一个最基本的问题“我需要了解哪些信息”？在基础知识部分，我们首先学习关键网络的识别和分析。

接着讨论传输线，以及因快速边缘率信号所产生的高频噪声引起的各种问题。

最后，我们将了解阻抗的概念，并在阻抗和信号完整性的背景下展开讨论。

现在，让我们从零开始学习信号完整性基础知识。

在开始任何类型的仿真或分析之前，您必须做好哪些准备工作，了解哪些信息呢？您的设计中可能包含成千上万个网络，需要全部进行仿真吗？恐怕不是—您没有足够的时间完成这项工作，事实上也完全没有必要。

因此，您要做的第一件事是确定您的关注对象—设计中究竟哪些是“关键”网络，如何识别这些“关键”网络？关键网络乍一看，“什么是关键网络”，答案似乎并不复杂。

我听到过各种各样的答案，譬如“时钟网络”、“高频网络”、“所有网络都很关键”、“频率超过100 MHz 的网络”，诸如此类，不胜枚举。

这些回答固然有一定的可取之处，但数字印刷电路板有一项您必须考虑的标志性网络特征，即边缘率和走线长度之间的关系。

些网络可能导致信号完整性 (SI) 或电磁干扰(EMI) 方面的问题时，您需要了解开关信号的速度，以确定是否需要首先关注该网络。

当今的硅工艺已纵深扩展至次微米空间，器件的物理特性决定了信号的边缘率越来越快。

归根到底，这意味着您的设计中可能存在问题的网络数量将远远超出您最初的设想。

因此，我们需要一些标准来识别关键网络。

那么，我们应该在哪里寻找这些信息来判断我们的分析对象呢？数据表提供了最快捷的器件管脚特性参考资料。

您可以在这些文档中找到电压摆幅、转换速率/开关时间、输入阻抗以及其他大量信息。

然后，您需要将这些开关数据与走线长度进行比较，确定是否存在问题。

这听起来有些复杂，甚至可能相当繁琐（如果必须手动完成此工作，的确如此）。

这时，您需要使用工具来提供帮助。

信号完整性的基本概念1.信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

2.传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。

3.集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。

4.分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。

5.上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。

6.截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

7.特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。

可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

8.传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tPD。

9.微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。

10.带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

11.趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。

信号完整性基础入门手册入门手册目录信号完整性描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3数字技术和信息时代⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3逐渐增长的带宽为数字系统设计带来的挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 - 4信号完整性概念回顾⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 - 8数字信号时序产生的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5隔离模拟故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6眼图：快速鉴定信号完整性问题的捷径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8信号完整性测量需求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 - 25使用逻辑分析仪发现逻辑信号故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9逻辑分析仪探头方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10使用示波器揭秘模拟信号故障⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12示波器探测解决方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16使用实时频谱分析仪进行频域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17利用集成测量工具识别信号完整性问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19简化复杂的抖动测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20使用时域反射仪进行关键的阻抗测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22信号发生器构建完整的测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯262 /signal_integrity信号完整性基础信号完整性描述根据定义，“完整性”是指“完整和无损害的”。