信号完整性(SI)分析-9~10传输线与反射117页PPT

10 nS = 100 MHz
These two driver waveforms have the same period, yet the upper signal will create more high speed design problems.
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Signal Integrity - 101
Signal Integrity - 101
Crosstalk and Stackup
P S P
Stripline
Stripline will have less crosstalk than an equivalent microstrip configuration, because the signal has two power planes to couple to
Crosstalk Timing and Magnitude
t1 t2
Backward crosstalk saturates & the induced pulse gets longer as coupled length increases
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Forward crosstalk lasts as long as the driver’s edge; magnitude increases as coupled length increases; eventually saturates
Ln
...
l1
8
Cn
l2
ln
Total Inductance L = L1 + L2 … + Ln
Total Capacitance C = C1 + C2 … + Cn

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SI简介
• 学习SI的目的 a.什么是典型的信号完整性问题？ b.这些问题来自哪里？ c.为什么有必要去理解SI问题？ d.如何去分析和解决SI问题？ e.如何去做SI测试？
30.11.2020
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• SI的内容 SI简介
信号完整性它包含两方面的内容，一是 独立信号的质量，另一个是时序。我们 在电子设计的过程中不得不考虑两个问 题：信号有没有按时到达目的地？信号 达到目的地后它的质量如何？所以我们 做信号完整性分析的目的就是确认高频 数字传输的可靠性。
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SI简介
• 数据采样及时序例子
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SI简介
• 数据采样及时序例子 从这个图里面我们可以清楚地看到数据 必须准时到达逻辑门而且在接收端期间 开始锁存前必须确定它们的逻辑状态。 任何数据的延迟或者失真都会导致数据 传输的失败。失败有两种可能：一个是 因为接收端根本就无法识别数据；另一 个是接收端虽然识别了数据，但数据因 为失真而导致错误。
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SI简介
• SI的重要性
随着高频数字电路的不断发展，SI问题变得越来越引 人注目，数字电路的频率越高，出现SI问题的可能性 就越大，对设计工程师来说，他的挑战也就越大。很 多SI问题实际上都是自然界中的电磁现象，所以SI问 题跟EMI/EMC是息息相关的。
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SI简介
• 理想逻辑电压波形
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SI简介

反射和失真使信号质量下降。一些情况下，它们看起来 就像是振铃。引起信号电平下降的下冲可能会超过噪声容 限，造成误触发。图 8.1 示例了短传输线末端由阻抗突变 造成的反射噪声。
Voltage, V ── 电压，V
time，nsec ──时间，ns
图 8.1 在 1 in 长、阻抗可控互连线的接收端，由于阻抗不匹配和 多次反射而产生的“振铃”噪声。
第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短路， 即末端阻抗为 0。反射系数为(0 - 50) /(0 + 50) = -1。 1V 入射信号到达远端时，产生-1V 反射信号向源端传播。 短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之和， 即 1V + -1V＝0。这是合理的，因为如果此处是严格按定义 规定的短路，短路点两侧不可能有电压差。此处电压为 0V 的原因就是它是从源端出发的正向行波和返回源端的负向 行波之和。
高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析
(之9~10[八]：传输线与反射)
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
8.0
提示
引言
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将
被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一网络中多数信号完整 性问题产生的主要原因。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
reflected ──反射
incident── 入射
measured ──测量
图 8.4 如果区域 2 是开路，则反射系数
经常说信号到达传输线的末端时，其值翻倍。从数值上这是正确的，可实
际上发生的情况并非如此。总电压即两个行波之和虽然是入射电压的两倍，但是这样 说会引起错误的直觉。最好还是把末端电压看作入射电压与反射电压之和。

信号完整性仿真软件介绍
仿真软件的种类与功能
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信号完整性仿真软件：用于 模拟信号在电路中的传输和 干扰情况，评估信号完整性
单击添加标题
功能：提供信号完整性分析、 优化和验证功能，帮助设计 者优化电路设计，提高信号
传输质量
单击添加标题
仿真软件种类：包括 Cadence、Mentor、
Synopsys等
信号完整性的评估通常包括 信号的幅度、相位、抖动、
噪声等方面的测量。
信号完整性对于电子系统的 性能和可靠性至关重要。
信号完整性的重要性
确保信号传输的准确性和可靠性
降低电磁干扰和噪声
添加标题
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提高系统稳定性和性能
添加标题
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提高产品竞争力和品牌价值
信号完整性的影响因素
信号频率：频率 越高，信号完整 性越差
信号串扰的影响：信号串扰会导致信号 误码率增加、信号传输质量下降等问题
信号反射与串扰的解决方法：通过优化 信号传输路径、增加信号隔离度、使用 屏蔽材料等方式进行解决
信号的时序与抖动
时序：信号在时间上的顺序和规律 抖动：信号在传输过程中的不稳定性 抖动类型：随机抖动、确定性抖动、数据相关抖动 抖动影响：可能导致信号失真、传输错误、系统不稳定等
信号幅度：幅度 越大，信号完整 性越差
信号传输路径： 路径越长，信号 完整性越差
信号传输介质：介 质的阻抗、容抗、 感抗等参数会影响 信号完整性
信号完整性的基础理论
信号的传输方式
串行传输：数据按 顺序传输，速度快， 但容易受到干扰
并行传输：数据同 时传输，速度快， 但需要更多的硬件 资源
模拟传输：数据以 模拟信号的形式传 输，抗干扰能力强 ，但传输距离有限

二、单位长度的电参数
上述传输线方程中包含单位长度的电容c和电感l， 这两个参数包含了有关传输线的所有结构信息，例如：
导线类型、导线半径和导线间隔等。因此，如果要求 解具体问题，必须先计算具体的c和l。传输线中的传 播模式为横电磁波（TEM）模式，所以，横向的磁场 和电场沿z轴方向传播，根据法拉第定律，有：
压波形相同：
V (0, t)
ZC RC ZC
Vs (t ); I (0, t )
Vs (t) RC ZC
初始的电波向负载端传播，脉冲前沿到达负载端需
要延时TD，然后反射回源端又需要延时TD。在源端，
可以得到电压反射系数为：S
RS RS
ZC ZC
在源端产生的前向波形与在负载端产生的反射波
的波形相同，但是反射波响应的点上减小了ΓS。这个 过程在源端和负载端持续重复进行，传输线上任意点 的总电压和电流都是所有单个电压和电流波的总和。
在20世纪80年代中期，这种连接导线是无关紧要 的，现在，由于时钟和数据速度的不断提高，这种 “互连”导线将极大地影响信号传输而不能被忽略。 信号完整性就是保证传输线输入端和输出端信号波形 相同或近似相同。
信号从传输线的一端被传输到另一端，其中至 关重要的是信号不被传输线所恶化。传输线的一个 重要影响是造成信号从一端到另一端的时延。信号 在传输线内传输的速度为v，传输线的总长度为l,则 延时为TD=l/v 。由互连线产生的另一个问题是反射。 传输线的第二个特性参数是它的特性阻抗ZC，如果 传输线不匹配，将有部分到达负载端的信号反射回 源端。这种反射现象是导致信号完整性降级的主要 原因。
Rs＝300Ω
+
Vs(t)
－
+
V(0,t)

解决方法
通过在传输线的末端添加 终端电阻来匹配阻抗，消 除反射。
信号串扰
信号串扰定义
当信号在传输线中传播时 ，会受到相邻信号线的干 扰，产生串扰。
串扰产生的影响
串扰会导致信号质量下降 、误码率增加，严重时会 导致通信失败。
解决方法
通过合理布线、增加线间 距、使用屏蔽线等措施来 减小串扰。
信号时序
加强信号完整性测试和测量技 术的研究，提高测试精度和效
率。
探索新的信号完整性设计方法 和优化技术，提高设计效率和
可靠性。
加强信号完整性与其他领域的 交叉研究，如通信、控制、人 工智能等，开拓新的应用领域
。
THANKS
感谢观看
02
它涉及到信号在电路中传输时所 受到的各种影响，如噪声、干扰 、衰减、延迟等。
信号完整性的重要性
保证电路的正常工作
信号完整性的好坏直接影响到电路的 正常工作，如果信号在传输过程中出 现失真或畸变，可能会导致电路工作 异常或出现故障。
提高系统性能
降低系统成本
避免因信号问题导致的系统故障和维 修成本，从而降低整个系统的成本。
合理选择传输线
根据信号类型和传输速率，选择合适的传输 线类型和规格。
使用适当的端接方式
根据传输线的类型和长度，选择合适的端接 方式，如串联端接、并联端接等。
优化布线策略
通过合理的布线，减少信号延迟和反射，提 高信号质量。
抑制电磁干扰
通过增加屏蔽、使用滤波器等手段，降低电 磁干扰对信号的影响。
设计实例分享
示波器和逻辑分析仪
用于捕获和观察信号波形，分析信号的时序和幅度。
网络分析仪和频谱分析仪
用于测量信号的频率响应和传输特性。

导电平面就像一个镜子，镜像电路与原电
路电流方向相反，并以平面对称。这样由
于互感影响，该涡流 会较大的减小原电路
的回路自感。
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电感的物理基础
•
悬空平面越靠近回路，回路的电感就
越小，如下图：
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传输线的物理基础
• 一、信号 信号总是指信号路径和返回路径之间相
邻两点的电压差，该原则适用于所有传输 线，无论是单端还是差分传输线。
信号完整性分析
通常设计过程是极富直觉和创造性的，要想尽快 完成合格设计，激发关于信号完整性的设计 直觉至关 重要。设计产品的设计师应了解信号完整性如何影响整 个产品的性能。该文档主要介绍 理解和解决信号完整 性问题所需的基本原理，直观定量地给出信号完整性问 题的工程背景知识。
主要参考： 信号完整性分析
• 四、传输线的瞬态阻抗及特征阻抗 传输线的瞬态阻抗并不是PCB上导线的电阻。如
果我们在一根导线上加一个电压，该电压信号从一 端传输到另一端的过程中所受到的阻抗即为瞬态阻 抗，当一定时间后，整根导线上的电源稳定后，导 线表现出的阻抗与瞬态阻抗肯定不一样，稳定后的 电阻才是我们平时所指的电阻。瞬态阻抗仅由传输 线 的两个固定参数决定，即传输线的横截面积和材 料特性共同决定，与传输线的长度无关。计算公式 为（只考虑电容效应的近似计算）：
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概论
c、返回路径平面上的间隙； d、接插件； e、分支线、T型线或桩线； f、网络末端。 B、网络间的串扰； C、轨道塌陷噪声；
当通过电源和地路径的电流发生变化时，在电 源路径和地路径间的阻抗上将产生一个压降。设计 电源和地分配的目标是使电源分配系统（PDS）的 阻抗 最小 D、来自整个系统的电磁干扰和辐射。
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36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
Hale Waihona Puke xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
信号完整性-9~10反射
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢！

整性、时序完整性、电源完整性的要求。
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2020/5/30
测试能帮我们做些什么？
▪ 验证
–验证我们的硬件设计是否符合设计要求 –验证我们的信号质量是否达到设计要求：波形，时序，电源 –验证仿真结果和实测结果的一致性：波形，时序，电源 –验证模型的准确性
▪ 调试
–调试的目的：发现问题，解决问题 –问题是否是硬件设计的问题？ –问题是否是器件的原因：驱动能力？模型？ –问题是否是布局布线的问题：拓扑？端接？阻抗？走线长度？串扰？
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2020/5/30
均衡和预加重的测试
软件实现均衡:
张开眼图进行显示 (示波 器作为接收端)
让设计人员看到接收端内 部的信号波形情况
我们可以使用80SJNB软件 分析均衡后的信号
针对已知PRBS码型自动获 得 Taps 值
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2020/5/30
抖动、眼图和浴盆曲线
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2020/5/30
抖动、噪声和误码原因分析
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2020/5/30
当前高速芯片接收端都使用了均衡
在发送端是一个 “OPEN”的眼睛
在接收端是一个“CLOSE” 的眼睛
Tx + +
path
--
++
--
path
++
path
--
怎么去测试这个眼图？
++
Rcv
EQUALIZER
--
▪ 我不想在这点去测试信号，因 为我想知道通道对信号的影响
▪ 但是如果我在这点进行测试… …我发现眼图是闭合的
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2020/5/30
探头的选择——等效负载举例
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信号完整性（SI），是指信号电压（电流）完美的波形形状及 质量。由于物理互连造成的干扰和噪音，使得连线上信号的
波形外观变差，出现了非正常形状的变形，称为信号完整性
被破坏。信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结
果。
信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。
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广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源 互连线引起的所有电压、电流不正常现象，包括： 噪声、干扰、时序抖动、数据传输等。
当频率大于1GHz时，介质损耗的增长与频率成正 比，而导线损耗与频率的平方根成正比(注意此处的自 变量为频率)。
FR4的介质损耗危害程度示例：当传输10inch后，上
升边将增加到100ps。
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图0-10 由于有损线造成的上升边退化
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信号完整性分析
• 经验法则； • 解析近似； • 数值仿真 (有场和路两种途径)； • 实际测量。
狭义的信号完整性，是指信号电压(电流)波形的形 状及质量,主要包括反射和串扰。物理互连将其上面 的信号波形变差(退化)，出现了非正常形变，称为信 号完整性被破坏。噪声可以转化为抖动，见DSI2.65式。
信号完整性退化是物理互连设计不当又工作在高 速环境下的直接后果。
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0.2 互连的范畴
所有电子产品都可以解释为元器件及其互连。说到底，都可以 看作是靠不同层次下互连“编织”成的作品。
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同层屏蔽线
Gnd
VDD
屏蔽层
Gnd
衬底层(Gnd) 图0-12 芯片内对抗线间串扰的屏蔽措施剖面说明
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图0-13 为了减小电感，实际PCB去耦电容过孔的安装情况
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VDD
板线
键合线 芯片内核