信号完整性(SI)分析-9~10传输线与反射

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。

集成电路设计中的信号完整性集成电路（IC）设计是现代电子工程的核心。

随着技术的进步，集成电路的复杂性不断增加，这给信号完整性（SI）带来了更大的挑战。

信号完整性是指信号在传输过程中保持其完整性和正确性的能力。

在集成电路设计中，信号完整性是一个至关重要的因素，因为它直接影响到系统的性能和可靠性。

信号完整性问题的产生信号完整性问题的产生主要是由于集成电路中的传输线路特性以及电磁干扰。

传输线路的特性会导致信号在传输过程中发生失真，而电磁干扰则会引起信号的噪声。

这些失真和噪声会影响到信号的质量和性能。

传输线路特性集成电路中的传输线路主要包括导线和连接器。

这些传输线路的特性会影响信号的传输。

例如，导线的电阻会导致信号的延迟，而导线的电感会导致信号的衰减。

此外，传输线路的阻抗不匹配也会引起信号的反射和衰减。

电磁干扰电磁干扰是指外部电磁场对信号的影响。

在集成电路中，电磁干扰主要来自于电源线、信号线和其他电子元件。

电磁干扰会引起信号的噪声，从而影响信号的质量和性能。

信号完整性分析的方法为了确保信号完整性，集成电路设计人员需要进行信号完整性分析。

信号完整性分析主要包括时域分析和频域分析两种方法。

时域分析时域分析是一种基于时间的方法，用于分析信号在时间上的行为。

时域分析的主要工具是示波器和信号分析仪。

通过时域分析，设计人员可以观察信号的波形，从而确定信号是否发生了失真或噪声。

频域分析频域分析是一种基于频率的方法，用于分析信号在频率上的行为。

频域分析的主要工具是频谱分析仪。

通过频域分析，设计人员可以确定信号的频率成分，从而确定信号是否受到了电磁干扰。

信号完整性设计原则为了确保信号完整性，集成电路设计人员需要遵循一些基本的设计原则。

最小化导线长度导线长度是影响信号传输延迟和衰减的主要因素。

因此，设计人员应该尽量减少导线的长度，以降低信号传输的延迟和衰减。

匹配阻抗为了减少信号的反射和衰减，设计人员应该确保传输线路的阻抗与信号源和负载的阻抗相匹配。

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。

人们关注信号完整性问题，该问题源于奇怪的设计失败。

当时，美国硅谷一家著名的图像检测系统制造商早在七年前就成功设计，制造并投放市场，但是最近在生产线上下架的产品存在问题，并且新产品无法正常工作。

这是20MHz的系统设计，似乎没有必要考虑高速设计问题。

使产品设计工程师感到困惑的是，新产品没有任何设计修改，甚至采用的组件模型也与原始设计的要求一致。

唯一的区别是IC制造技术的进步。

新的设备技术使每个新生产的芯片都成为高速设备，而这些高速设备的应用中的信号完整性问题导致系统故障。

随着集成电路（IC）开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩短。

无论信号频率如何，该系统都将成为高速系统，并且将出现各种信号完整性问题。

在高速PCB系统的设计中，信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短会减小系统的时序裕度，甚至引起时序问题。

传输线效应导致传输过程中的噪声容忍度，单调性甚至逻辑错误。

信号之间的串扰随着信号边缘时间的减少而增加。

并且，当信号边缘时间接近0.5ns或更小时，电源系统的稳定性降低并且发生电磁干扰。

信号完整性的含义信号完整性（简称SI）是指信号从驱动端沿传输线到达接收端后的波形完整性。

也就是说，信号在电路中以正确的时序和电压响应的能力。

如果电路中的信号能够以所需的时序，持续时间和电压幅度到达IC，则电路具有更好的信号完整性。

相反，当信号无法正常响应时，就会出现信号完整性问题。

广义上，信号完整性问题是指高速产品中互连线引起的所有问题，主要表现在五个方面：（1）延误。

延迟是指当信号以有限的速度在PCB导体上传输时，从驱动端到接收端的传输延迟。

信号延迟将影响系统的时序。

在高速PCB设计中，传输延迟主要取决于导体的长度和导体周围介质的介电常数。

（2）反思。

当传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，一部分能量将在信号到达接收端后沿传输线反射回去，从而导致信号波形失真，甚至导致信号过冲和下冲。

如果信号在传输线上来回反射，则会发生振铃和周围振荡。

信号完整性基础信号完整性问题过冲（overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰（ISI）同步开关噪声（SSN）噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性（Signal Integrity）主要包括以下几方面问题：1.过冲（Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。

因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通，通常电流有100mA左右。

信号长期的过冲会使IC器件降质，并是电源噪声和EMI的来源之一。

2. 振铃（Ringing/Ring Back）振铃会使信号的threshold域值模糊，而且容易引起EMI。

3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性，这有可能对电路有危害，特别是针对异步信号如：Reset、Clock等会有影响。

4. 码间串扰（ISI）主要是针对高速串行信号。

其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态，另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。

一般通过眼图来观察，方法是输入一伪随机码，观察输出眼图。

5. 同步开关噪声（SSN）同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V，另外还会影响输入电平的判断。

SSN的另一种现象是SSO（同步开关输出），这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。

6. 噪声裕量（Noise Margin）控制噪声余量的目的是防止外界干扰，用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。

一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。

7. 串扰（Crosstalk）串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰（常见于数模混合电路）三种形式。

通常示波器所观察到的数字信号。

图中为各相关的信号完整性参数：•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。

•Ringback 指信号的振铃。

时序分析--信号完整性问题（SI）（转载）时序分析1. 共同时钟系统所谓共同时序系统就是指驱动端和接收端的同步时钟信号都是由⼀个系统时钟发⽣器提供。

图1就是⼀个典型的共同时钟系统的⽰意图，在这个例⼦中，驱动端向接收端传送数据，我们可以将整个数据传送的过程考虑为三个步骤：1. 核⼼处理器提供数据；2.在第⼀个系统时钟上升沿到达时，DRIVER将数据Dp锁存⾄Qp输出；3.Qp沿传输线传送到接收端触发器的Dc，并在第⼆个时钟上升沿到达时，将数据传送到RECEIVER内部。

⼀般来说，标准普通时钟系统的时钟信号到各个模块是同步的，即图中的Tflight clka和Tflight clkb延时相同。

通过分析不难看出，整个数据从发送到接收的过程需要经历连续的两个时钟沿，也就是说，如果要使系统能正常⼯作，就必须在⼀个时钟周期内让信号从发送端传输到接收端。

如果信号的传输延迟⼤于⼀个时钟周期，那么当接收端的第⼆个时钟沿触发时，就会造成数据的错误读取，因为正确的数据还在传输的过程中，这就是建⽴时间不⾜带来的时序问题。

⽬前普通时序系统的频率⽆法得到进⼀步提升的原因就在于此，频率越⾼，时钟周期越短，允许在传输线上的延时也就越⼩，200-300MHz已经⼏乎成为普通时序系统的频率极限。

那么，是不是传输延时保持越⼩就越好呢？当然也不是的，因为它还必须要满⾜⼀定的保持时间。

在接下来⼏节⾥，我们就建⽴和保持时间来分析⼀下时序设计需要考虑的⼀些问题以及正确的系统时序所必须满⾜的条件。

1.1 时序基本参数对于时序问题的分析，我们⾸先要清楚地理解相关的⼀些时序参数的具体含义，⽐如Tco，缓冲延时，传播延迟，最⼤/⼩飞⾏时间，建⽴时间，保持时间，建⽴时间裕量，保持时间裕量，时钟抖动，时钟偏移等等，如果对这些参数的概念理解不深刻，就很容易造成时序设计上的失误。

⾸先要阐明的是Tco和缓冲延时（buffer delay）的区别。

从定义上来说，Tco是指时钟触发开始到有效数据输出的器件内部所有延时的总和；⽽缓冲延时是指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间。

现代电路设计中的信号完整性分析在当今高度数字化和集成化的电子世界中，电路设计的复杂性日益增加。

信号完整性已经成为确保电子系统可靠运行的关键因素之一。

简单来说，信号完整性指的是信号在传输过程中保持其准确性、完整性和时序特性的能力。

如果信号完整性出现问题，可能会导致系统性能下降、数据错误、甚至系统崩溃。

那么，为什么信号完整性在现代电路设计中如此重要呢？随着电子设备的工作频率不断提高，信号的传输速度也越来越快。

在高速情况下，信号的行为不再像在低速时那样简单和可预测。

例如，信号在传输线上可能会出现反射、串扰、衰减等现象，这些都会影响信号的质量。

反射是信号完整性中的一个常见问题。

当信号在传输线的终端遇到阻抗不匹配时，就会发生反射。

这就好像声音在一个封闭的房间里反射一样，会产生回声。

在电路中，反射会导致信号的失真和叠加，可能会引起误码或者时序错误。

串扰则是另一个需要关注的问题。

当相邻的传输线之间存在电磁场耦合时，就会发生串扰。

一条线上的信号可能会干扰到相邻线上的信号，导致信号的噪声增加，影响系统的性能。

衰减也是不可忽视的。

信号在传输过程中会因为电阻、电容和电感等因素而损失能量，导致信号的幅度减小。

如果衰减过大，可能会使接收端无法正确识别信号。

为了确保信号完整性，电路设计师需要在设计阶段就进行充分的分析和优化。

首先，要合理选择传输线的类型和参数。

不同类型的传输线，如微带线、带状线等，具有不同的特性，适用于不同的应用场景。

同时，传输线的阻抗、长度、宽度等参数也需要根据信号的频率和特性进行精心设计。

其次，布局和布线也是至关重要的。

在电路板上，元件的布局应该尽量减小信号传输的路径长度，减少反射和串扰的可能性。

布线时，要遵循一定的规则，如保持传输线之间的间距、避免直角转弯等。

电源和地的设计也会影响信号完整性。

稳定的电源供应是保证电路正常工作的基础，而良好的接地可以减少噪声和干扰。

在进行信号完整性分析时，通常会使用一些专业的工具和技术。

信号完整性分析chapter.8 传输线与反射信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去。

这是单一网络中多数 SI 问题的主要原因。

反射与失真使信号质量下降，看起来像振铃。

只要有瞬态阻抗突变就会发生反射，线端或者互连线拓扑结构发生改变的地方，如拐角，过孔，T型结构，插接件和封装处。

因此设计互连线的目的在于尽可能保持信号受到的阻抗恒定。

阻抗变化出的反射：将瞬态阻抗发生突变的地方称为阻抗突变，或简称突变。

反射的信号量由瞬态阻抗的变化量决定，若第一区域瞬态阻抗为Z1，第二个区域为Z2，反射信号与入射信号的幅值之比：其中两区域阻抗差异越大，反射信号量越大。

最关心的就是反射系数ρ，信号沿传播线传播时，遇到阻抗突变，将产生另一个波，两波叠加，但方向是向源端。

反射形成机理由上一特性，在设计高速板时，要运用以下设计要素：1.使用可控阻抗互连线2.传输线末端至少有一个终端匹配3.使用能使多分支产生影响最小的布线拓扑结构4.最小化几何结构的不连续性产生反射：区域1,2交界面两侧电压，电流应该相等，否则两侧不等会产生无限大电场与磁场。

V1=V2，I1=I2，而，I=V /R，当区域阻抗不同时，关系式绝不会同时成立。

为平衡系统，交界处区域1侧产生反射回源端的电压，唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之间不匹配的电压与电流。

满足的条件：且两区域应满足：代换即最终，得到反射系数ρ同样，可以推导出传输系数t没有确切的原因知道怎么产生反射电压，但知道反射电压会遵循上述关系，电压电流要保持连续阻性负载的反射假定传输线特性阻抗为50Ω，传输线的终端匹配有三种情况：5.传输线的终端开路，末端未连接。

末端瞬态阻抗为无穷大。

反射系数ρ为1。

例：6.传输线末端与返回路径短路，即末端阻抗为0。

此时反射系数ρ为-1，短路突变处测的电压为（入射电压与反射电压之和）0V。

7.特殊情况，终端阻抗等于传输线的特性阻抗，即匹配。

信号完整性分析信号完整性分析是一种信号传输效率的重要部分，尤其是在网络技术发展快速的今天，它越来越受到重视。

信号完整性分析是研究电气、电子、光学、磁学信号完整性状态的过程，可以帮助分辨信号的有效和无效，提高数据传输的可靠性，帮助解决科技发展中存在的一些技术问题。

信号完整性分析通常包括对信号传输效率的质量检测、时延检测和比特误码率检测三种检测项目。

首先，在信号传输效率的质量检测中，一般是检查传输信号的模拟量，电源和电场的强度等，以及收发端的工作状态等，其检测结果可以直接反映出信号传输效率的水平。

其次，在时延检测项目中，通常是检查收发端传输信号之间的时间差和时间关系，以及数据传输周期，其检测结果可以反映出网络中信号传输的延迟情况。

最后，在比特误码率检测项目中，一般是检查网络数据传输中比特误码率的情况，其检测结果可以反映出网络数据传输的质量情况，并帮助提高数据传输的可靠性。

为了实现信号完整性分析，一般常用的技术手段有时域反射技术、频域反射技术和时频域反射技术等。

时域反射技术是以时域为特征参数，使用特定的精密仪器测量信号传输状态，以判断电线是否损坏，其优点是可以在短信号情况下，迅速准确地判断出当前的信号状态，而且安全、快捷、经济。

频域反射技术是以频域为特征参数，使用专业的检测仪器，根据传输信号的频率和幅度，对网络的信号完整性进行检测，其优点是可以检测出高频信号的变化，并且可以迅速地检出信号是否受到破坏。

时频域反射技术是利用时间和频率域上的改变，以及信号传输过程中的调制参数等，进行信号完整性检测，其优点是能够在路径衰减和多径效应影响较大的情况下，也能获得准确的检测结果。

信号完整性分析在网络技术发展中，起到了重要的作用，它不仅有助于提高数据传输的稳定性和可靠性，而且可以帮助解决传输中的一些暂时性问题，让信号传输更加顺畅。

然而，在信号完整性分析领域，也存在一些需要完善的地方。

例如，由于信号的传输深度、速度等因素的影响，仍存在比特误码率较高的情况；此外，也存在着传输过程中存在延时的情况，因此，在信号完整性分析方面仍需要持续改进和完善技术。