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信号完整性培训2

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信号完整性上岗培训教材

信号完整性上岗培训教材

信号完整性上岗培训教材编辑：审核：校对：中兴通讯上海第一研究所目录第一章高速数字设计和信号完整性分析导论1．基本概念2．理想的数字信号波形2．1理想的TTL数字信号波形2．2理想的CMOS数字信号波形2．3理想的ECL数字信号波形3．数字信号的畸变3．1地线电阻的电压降的影响3．2信号线电阻的电压降的影响3．3 电源线电阻的电压降的影响3．4 转换噪声（SSN）3．5 串扰噪声（Crosstalk）3．6 反射噪声（Reflection）3．7 边沿畸变4．研究目的5．研究领域6．研究手段第二章数字电路工作原理1．数字电路分类2．基本结构和特点2．1 TTL2．2 CMOS2．3 LVDS2．4 ECL3．电路特性3．1转换特性3．2V/I特性3．3热特性及寿命3．4直流噪声容限3．5交流噪声容限4．电路互连4．1工作电压4．2逻辑电平范围4．3噪声5．电路选型基本原则第三章传输线理论1．基本概念2．基本特性2．1特性阻抗2．2延迟3．传输线分类3．1非平衡式传输线3．2平衡式传输线4．常用传输线4．1圆导线4．2微带线4．2．1一般微带线4．2．2埋入式微带线4．3带状线4．3．1非对称式带状线4．3．2对称式带状线5．反射和匹配5．1反射系数5．2反射的计算5．3传输线的临界长度5．4传输线的匹配和端接5．4．1终端电阻并联匹配5．4．2终端阻容式并联匹配5．4．3始端串联匹配5．4．4二极管嵌位6．串绕6．1正向串绕6．2反向串绕6．3平行线和重叠线7．负载效应7．1直流负载和交流负载7．2 最小间隔7．3 集中负载7．4 分布负载7．5径向负载8．负载驱动方式8．1点对点8．2串推8．3星型8．4扇型9．传输线损耗9．1 集肤效应9．2邻近效应9．3辐射效应9．4介质损耗第四章直流供电系统设计1．基本概念2．设计目标3．一般设计规则4．多层板叠层结构5．电流回路5．1基本概念5．2回路面积5．3参考平面的开槽5．4连接器的隔离盘6．去耦电容极其应用6．1去耦电容6．2低频大容量去耦电容6．3高频去耦电容6．4多层片式陶瓷电容的材料选择6．5表面贴装电容的布局和布线6．6多层印制板中的平面电容6．7埋入式电容7．噪声抑制7．1系统电源变化7．2系统电源的电位差7．3系统逻辑地的电位差7．4地电平抖动第五章《TTL/CMOS通用设计规范——信号完整性要求》1．电气特性和器件选型2．一般设计规则3．传输线设计4．负载驱动规则5．时钟的产生和分配6．电源和地系统设计7．受控阻抗连接器设计8．逻辑级延的估算9．印制板设计规则10．热设计要求第六章《印制电路板设计规范——信号完整性要求》1．分类1．1印制板的类型1．2可生产性等级2．一般要求2．1电气连接的准确性2．2印制板的可制造性2．3印制板的可测试性2．4印制板的可靠性2．5印制板组件的维修性2．6元器件的安装形式3．详细要求3．1材料选择3．2电气性能3．3设计规则3．4电路设计3．5印制板的结构3．6机械3．7散热3．8环境3．9CAD/CAM/CAT第七章ES6000工程设计规范1．适用范围2．引用标准和文献3．符号、缩略语4．信号完整性设计目标4．1 系统噪声分配4．2 LVDS差分信号传输噪声分配4．3 LVPECL差分信号传输噪声分配5．高速信号传输规则5．1 传输设计5．2 传输线匹配规则5．3 信号传输的一般规则5．4 G.LING的信号传输5．5 SDRAM接口5．6 EHI接口5．7 LVPECL信号传输5．8 LVDS信号传输5．9 印制电路板布线的一般要求5．10 背板连接器中信号针与地针的分布6．背板设计规则6．1 印制板材料6．2 印制板结构和尺寸6．3 印制板电源、地层结构6．4 印制板孔、盘尺寸6．5 印制板布线规则7．主控与交换板设计规则7．1 印制板材料7．2 印制板结构和尺寸7．3 印制板电源、地层结构7．4 印制板空、盘尺寸7．5 印制板布线规则8．ATM接口板设计规则8．1 印制板材料8．2 印制板结构和尺寸8．3 印制板电源、地层结构8．4 印制板孔、盘尺寸8．5 印制板布线规则9．其他线路接口板设计规则9．1 印制板材料9．2 印制板结构和尺寸9．3 印制板电源、地层结构9．4 印制板孔、盘尺寸9．5 印制板布线规则第一章 高速数字系统设计的信号完整性分析导论1. 基本概念高速数字设计(High-Speed Digital Design)强调被动元件的特性及其对电路性能的影响， 包括导线、印制电路板以及集成电路封装等等；高速数字设计研究被动元件如何影响信号传输 (振铃和反射)， 信号之间的相互作用(串扰)； 信号完整性 (Signal Integrity ，以下简称SI) 是指信号在信号线上的质量。

信号完整性基础培训课件(PPT 54张)

信号完整性基础培训课件(PPT 54张)

B 0 . 8566 ( 0 . 0294 ) ln( W ) ( 0 . 00239 ) H ( 0 . 0101 ) r r
W=走线宽度（mil） H=走线和参考层之间的距离（mil） 由公式可知分子

永远不会比1.0大。信号在微带线中的传播速度永远不会比在带状线（周围是相同的材料） 中慢。公式是从上面是空气下面是电介质材料的简单微带线中得出的。如果是嵌入式微带线， 分子要相对大一些（传播速度要慢一些），但是不会超过1.0这个极限值。
频域：自变量是频率,即横轴是频率,纵轴是该频率信号的幅度,也就是通常说的频谱图。频谱图描 述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系 。
Page3
1. 信号完整性基础知识
时域和频域的关系 频域
（不显示负向变换）
（不显示负向变换）
频域平面
时域平面
频域
时域
1.2 信号完整性的影响因素
第二章 案例分析
反射案例分析 串扰案例分析 电源完整性案例分析 电磁干扰案例分析 插入损耗案例分析

Page2
1. 信号完整性基础知识
1.1 基本概念
1.1.1 时域和频域
时域和频域的概念
时域：时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如一个信号的时域波形可以表达信号随 着时间的变化。时域是真实世界，是惟一实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验 证的，已经习惯于事件按时间的先后顺序地发生。而评估数字产品的性能时，通常在时域中进行 分析，因为产品的性能最终就是在时域中测量的。
XY Plot 2
1000.00
MY2: 880.0000
Circuit1
Curve Info
ANSOFT

信号完整性培训2

信号完整性培训2

f(t)可以理解为直流c0加上各次nω1谐波分量，每个分量 幅度为 cn an2 bn2 ；初相为φn。 从而，傅里叶级数(FS)给出时域f(t)的频域展开式——
f (t ) cn cos n1t n
n 0

(★)
11
(3) DFT──长度为N离散序列f(n)正反变换为
24
图2.9 将图2,8放大。 对于1GHz理想方波，依次叠加各次谐波生成的 时域波形：首先是0次谐波和1次谐波，再加上3次谐波，7次谐波，第19 次谐波，最后一直加到第31次谐波
25
2.6 理想方波作基准的一般信号带宽
一般信号的最高有效分量是指——有某个频率点， 高于这点的信号谐波分量幅度比理想方波中相应频率 的幅度小到某种程度，例如常用的 3dB ，即功率下降 50%或电压降至70%。 下面，对比一下时钟频率都为１ GHz 的理想方波与 梯形波时钟信号的情况，其基波都为１ GHz 的正弦波 频率。
13
▲ DFT——如果时域波形具有周期性，且可以 用一系列离散点采样值加以表征，则称作时域周期 离散函数。对应于频域也是离散周期函数。这就是 离散傅里叶变换 (DFT) ，对应的快速算法称之为 FFT。真正做的时候是用FFT/IFFT完成的。
14
等价
图2.4 (上)1GHz时钟在时域的单个周期 ；(下)经DFT变换后的频谱
。一个任意的短脉冲，都可用傅里叶积分变换到频域。
傅里叶积分是在整个时间轴上从-∞到+∞积分，得到的结 果是从零频率到+∞频率上连续的频域函数。 ▲ FS——一个时域的周期函数，展开为频域中多个离散 正弦函数之和，所谓的傅里叶级数(FS)展开式。
这就是在下面实际分析问题时用到的概念：一般信号波

信号完整性基础培训课件

信号完整性基础培训课件
为分析为了保证输出信号的上升沿不明显退化时的有耗传输线长度，所采用50欧姆传输线 ，传输线的长度所采用4inch,8inch,12inch，16inch,输入信号采用80ps，仿真出接收端的波形。
4inch，106ps 8inch, 169ps 12inch,252ps 16inch,348ps
无损耗传输线
➢时域和频域的概念
时域：时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如一个信号的时域波形可以表达信号随 着时间的变化。时域是真实世界，是惟一实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验 证的，已经习惯于事件按时间的先后顺序地发生。而评估数字产品的性能时，通常在时域中进行 分析，因为产品的性能最终就是在时域中测量的。
用阻抗描述信号完整性：
➢任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这使信号质量会出现问题。 ➢信号的串扰是由两条相邻信号线条（包括其返回路径）之间的电场和磁场的耦合引起的， 信号线间的互
耦电容和互耦电感产生的阻抗决定了耦合电流的值。 ➢电源轨道塌陷实际上与电流分布系统（PDS）的阻抗有关。系统中必然流动着一定的电流 量以供给所有的芯片，并且由于在电源和地之间存在着阻抗，所以当芯片电流切换时，就会 形成压降。这个压降意味着电流轨道和地轨道从正常值下塌陷。 ➢最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此地平面上返回路径的阻抗越大，电压降即 地弹就越大，
➢ 通道中的损耗 通道上的每一个节点都会造成损耗，损耗受控是一个真正的挑战。
介质损耗 导体损耗 趋肤效应
1.介质损耗的斜率比导体损耗大 2. 当5Ghz之后介质损耗将占据主导 3. 应对趋肤效应将导致成本急剧上升
w精ww品.fopupndte模rpc板 What is 城市轨道交通 urban rail transport

《信号完整性培训》课件

《信号完整性培训》课件

信号完整性仿真软件介绍
仿真软件的种类与功能
单击添加标题
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
添加标题
提高系统稳定性和性能
添加标题
添加标题
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

《信号完整性培训》课件

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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。

信号完整性培训2

基本设计原则1
首先我们来看图6-1-1中的电路：这是一个单端逻辑（Single-Ended Logic）电路。 逻辑门A产生一个输出电压信号V1，当该信号沿着线B传输到逻辑门C的输入端时，逻辑门 C需要探测输入的逻辑电平是“1”还是“0”。为了实现这一点，逻辑门C使用一个差分 放大器， 将输入电压的信号幅度与其内部的一个参考电压R进行比较。参考电压R的值由 具体的逻辑电路系列而定，一般是该系列逻辑电路高、低电平之间的中间值。
如图6-1-1所示：假定这个电压参 考值是地电平以上的一个固定的电压 值R，并考虑到一个可能的噪声电压N， 则逻辑门C内差分放大器的输入电压为：
差分 输 Vi 入 NR （6-1-1）
图6-1-1 单端逻辑电路的电压参考
A和C的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差（用N表示），对于门C内 的差分放大器，原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压N，原参考电压R变成了N+R。 或者说：差分放大器的参考电压R不变，噪声电压N直接加在输入信号上了。不管从那个角 度看这个问题，结论是一样的。这个噪声电压降低了门C的噪声容限（Noise Marge）。
因此，任何逻辑门电路的电源连接点之间也必须是低阻抗连接，同逻辑门电路接地 点之间的低阻抗连接要求是一样的。这是高速系统中电源和地设计的第二个原则。
图6-1-3 电源线上的公共通道噪声
中国科大 快电子学 安琪
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基本设计原则3
在图6-1-3，信号回流电流要经过供电电 池。很显然，为了保持稳定的输出信号的电 平，电池的内阻必须非常低，同电源的连接， 地连接一样。如图6-1-3所示：电源与地之间 的唯一通道是经过电池。在实际的系统中， 电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道。
多层PCB板系统 电源层 + 地平面层 + 信号布线层

信号培训资料第2版(二)20101120(DOC)

4 转辙装置4.1.1 转辙装置安装前应与相关单位共同检查确认下列项目：1 转辙装置的安装位置符合设计要求。

2 道岔尖轨方正、无吊板现象，活动轨与基本轨密贴良好。

3 固定安装装置的轨枕应方正，间距符合相关技术标准，固定眼孔位置准确，无堵塞和滑丝。

4 道岔转换动程、外锁闭量等主要技术指标应符合相关技术要求。

条文说明： 转辙装置与道岔是两个相互影响的系统。

转辙装置要保证正常转换、锁闭、表示功能，这些功能的实现都需要道岔提供一个好的工作环境和安装平台。

相关技术标准是指《客运专线无砟轨道道岔铺设暂行技术条件》或《客运专线有砟轨道道岔铺设暂行技术条件》安装部分属于站前施工，略4.1.2 融雪装置施工前应按程序对土建等相关工程施工的接口、作业面验收交接，并检查是否符合下列进场条件：1 预留的电缆槽、过轨管道符合电缆施工要求。

2 预留的电气控制柜基础、隔离变压器基础符合限界要求。

基础螺栓相互间的距离、螺栓露出基础的高度符合设备安装要求。

4.1.3 电气控制柜应按下列要求进行安装：1 路基地段，如图所示。

1) 电气控制柜基础应采用热镀锌金属材料。

2）电气控制柜正面（柜门）应背对线路。

电气控制柜最突出边缘距线路中心一般情况下为3 100mm ，特殊地段不得小于2 440mm 。

3）基础埋深700~800mm 。

基坑内基础底部整体采用高为150mm 混凝土进行灌注，中部用原土回填，上部（路基面以下）采用高为150mm 的混凝土进行灌注；路基面以上采用高150mm 的砖砌混凝土围台，其周边比基坑周边宽50~100mm ，顶面低于基础顶面150 mm±50mm 。

4）在围台混凝土内的电缆应采用橡胶管防护，柜内穿线孔应密封。

5）控制柜与基础连接牢固，箱体平整。

2 桥梁地段1）电气控制柜安装在防护墙外侧。

2）防护墙内侧壁到线路中心距离为1900mm时，箱门应面向线路,如图所示；靠防护墙侧的支架金属基础采用M20通透式防松螺栓和补强板，固定在防护墙上，另一侧基础支架应置于电力电缆槽道内。

信号完整性分析讲稿2讲

所经历的时间。 或信号从终值的20%跳变到80%所经历的时间。 通常CMOS的下降时间比上升时间短，因此从高电平到低电平
更容易发生信号完整性问题。
第2章 时域与频域
2.2 频域中的正弦波 频域不是真实的,而是一个数学构造; 正弦波是频域中惟一存在的波形; 小波是另一种域; 正弦波有四个性质; 其它标准正交函数也有这四个性质; 为什么用正弦波作为频域中的函数?
第2章 时域与频域
2.1时域
时域是真实世界、是惟一实际存在的域； 时钟波形的两个重要参数:时钟周期和上升时间(见图2.1)； 时钟周期Tclock是时钟循环一次的时间间隔，用ns度量； 时钟频率Fclock是1秒钟内时钟循环的次数，是时钟周期Tclock的
倒数； 上升时间是10～90上升时间，指信号从终值的10%跳变到90%
BW 0.35 RT
第2章 时域与频域
2.11 “有效的”含义 带宽定义为有效的最高正弦波频率分量. 若谐波次数的幅度高于理想方波中相同谐波
幅度的70%以上,则该谐波次数称之为有效的 频率分量. 图2-12的最高有效谐波次数是5次谐波.
第2章 时域与频域
2.12 实际信号的带宽 振铃 当波形中出现振铃时,其带宽约等于振铃频率. 信号采用尽可能低的带宽.
第2章 时域与频域
2.3 频域中解决问题的捷径
同一波形的时域或频域描述所含的信息完全相同; 描述带宽更容易——带宽是频域中的概念; 阻抗在时域和频域中均有定义,在频域更快地得到答案; 在频域考虑电源和地分布的阻抗,对轨道塌陷提供更简单的解决
方法; 处理EMI时，FCC指标以及产品EMC的测量在频域更容易; 许多仿真在频域中进行; 在频域使用的仪器的信噪比高.
第2章 时域与频域

第二讲——信号完整性

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。
信号完整性问题（续1）
通常示波器所观察到的数字信号。
信号完整性问题（续2）
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。 • Plateau指信号在上升过程中的平台。 • NMH指逻辑为高信号的噪声余量。 • NML指逻辑为低信号的噪声余量。
4. 数字方波的频谱 数字方波信号的分析最起码要达到5倍f0（f0为方波的基频）。
高速数字电路的特征（续1）
图中演示的是信号的上升时间以及信号沿传输线由输出端到输入端的 传输延迟距离。
高速数字电路的特征（续2）
图中的公式为方波的傅立叶展开，其中T为方波信号的周期，t 为方波 信号的上升/下降时间，TW为方波信号的脉宽。 一般来说如果分析到10 f0，那么傅立叶拟合就比较接近真实情况。
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。
信号主要分为一下几类： 1. 单端信号
单端信号包括 TTL、 CMOS、 SSTL、 GTL等。单端信号比较通用， 且实现成本低。 2. 差分信号 差分信号包括 PECL、 ECL、 LVDS、 CML等。差分信号高速性能 好，电流也比较小。 由于电源层可以滤波和地层不可以滤波，单端信号中的同步开关噪 声的地电流形成地弹电压无法避免；而差分信号对同步开关噪声不 敏感。 3. 一次开关（Incident Switching） 即第一波就超过阈值。 4. 反射开关（Reflected Switching） 第一波不能超过阈值，靠反射超过阈值。
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A和C的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差(用N表示),对于门C内 的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差( 表示),对于门C ),对于门 的差分放大器,原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压N 原参考电压R变成了N+R N+R. 的差分放大器,原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压N,原参考电压R变成了N+R. 或者说:差分放大器的参考电压R不变,噪声电压N直接加在输入信号上了. 或者说:差分放大器的参考电压R不变,噪声电压N直接加在输入信号上了.不管从那个角 度看这个问题,结论是一样的.这个噪声电压降低了门C的噪声容限( Marge). 度看这个问题,结论是一样的.这个噪声电压降低了门C的噪声容限(Noise Marge).
多层PCB板系统 多层PCB板系统 PCB 电源层 + 地平面层 + 信号布线层 其它因素 即使采用多层PCB板系统 使用其它PCB层中完成信号连线, 多层PCB板系统, PCB层中完成信号连线 即使采用多层PCB板系统,使用其它PCB层中完成信号连线,实际的电路系统也远 不是那么简单,还会有一些其它因素影响公共通道上的低阻抗实现, 不是那么简单,还会有一些其它因素影响公共通道上的低阻抗实现,
中国科大 快电子学 安琪
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电源电压的分布
6-2-1 电源分布线
一般而言,良好的电源设备都具有非常小的输出阻抗(内阻) 一般而言 , 良好的电源设备都具有非常小的输出阻抗 ( 内阻 ) . 当我们直接从它 的输出端子测量时,电源设备是满足上述的基本设计原则3 的输出端子测量时 , 电源设备是满足上述的基本设计原则 3 的 . 如果电路系统是直接 安装在电源设备的输出端子上时, 安装在电源设备的输出端子上时,电路系统就可以从一个低阻抗电源设备获取它所需 要的电源电压和电流. 要的电源电压和电流. 事实上,将电路系统是直接安装在电源设备的输出端子上是不现实的.电路系统 事实上,将电路系统是直接安装在电源设备的输出端子上是不现实的. 和供电电源总是通过导线,电缆,或者是PCB连线相连.我们称它们为电源的分布线. PCB连线相连 和供电电源总是通过导线 , 电缆 , 或者是 PCB 连线相连 . 我们称它们为电源的分布线 . 这些连接,其直流电阻可以是很小的,但对于高速数字系统而言, 这些连接,其直流电阻可以是很小的,但对于高速数字系统而言,高,低电平的频繁 切换,需要从电源设备中频繁地流出和灌入电流,而且切换速度很快.这时, 切换,需要从电源设备中频繁地流出和灌入电流,而且切换速度很快.这时,这些导 电缆,或者是PCB连线上存在的相对大的电感,就会呈现出一个较大的阻抗. PCB连线上存在的相对大的电感 线 , 电缆 , 或者是 PCB 连线上存在的相对大的电感 , 就会呈现出一个较大的阻抗 . 从 电路板一侧来看,电源设备就不再是一个低阻抗输出的电源设备.基本设计原则3 电路板一侧来看 , 电源设备就不再是一个低阻抗输出的电源设备 . 基本设计原则 3 自 然也就不可能满足了.高速的切换电流会在电感上产生感应电压, 然也就不可能满足了.高速的切换电流会在电感上产生感应电压,随着电流的大小和 方向变化,感应电压就等同于一个电压噪声.这是我们所不希望的. 方向变化,感应电压就等同于一个电压噪声.这是我们所不希望的.
二. 电源与地系统
电源和地系统设计的基本原则 电源电压的分布
中国科大 快电子学 安琪
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电源和地系统的基本设计原则
电源和地系统在高速数字系统中的作用: 电源和地. 为信号提供稳定的电压参考电平. 2 为系统提供足够的能源,并将同一的电源电压分布到系统的所 为系统提供足够的能源, 有器件中. 有器件中. 控制信号之间的干扰. 3 控制信号之间的干扰. 电源与地系统的设计, 电源与地系统的设计 , 都将围绕着如何实现电源和地系统的这三 个基本功能来展开. 个基本功能来展开.
图6-1-3 电源线上的公共通道噪声 中国科大 快电子学 安琪 6
基本设计原则3 基本设计原则3
在图6 在图6-1-3,信号回流电流要经过供电电 很显然, 池 . 很显然 , 为了保持稳定的输出信号的电 电池的内阻必须非常低,同电源的连接, 平 , 电池的内阻必须非常低 , 同电源的连接 , 地连接一样.如图6 所示: 地连接一样.如图6-1-3所示:电源与地之间 的唯一通道是经过电池. 在实际的系统中, 的唯一通道是经过电池 . 在实际的系统中 , 电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道. 电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道 . 电源与地之间必须有一些低阻抗的通道. 电源与地之间必须有一些低阻抗的通道 . 这是高速系统中电源和地系统设计的第三个 原则. 原则.
所以说, 所以说 , 差分信号传输电路 是解决公共通道噪声电压的很 好的方法. 好的方法.
图6-1-6 差分信号传输电路 中国科大 快电子学 安琪 10
要点
三个基本设计原则: 三个基本设计原则: 任何器件的接地点之间应保持低阻抗连接. 任何器件的接地点之间应保持低阻抗连接. 任何器件的电源连接点之间应保持低阻抗连接. 任何器件的电源连接点之间应保持低阻抗连接. 电源和地之间保持低阻抗连接. 电源和地之间保持低阻抗连接.
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例2:差分传输电路
图6-1-6是一个差分信号传输电路的原理示意图.从差分信号传输的原理可知, 是一个差分信号传输电路的原理示意图.从差分信号传输的原理可知, 它可以很好的解决前述的电源和地上的噪声问题.如图所示:当由于某种原因, 它可以很好的解决前述的电源和地上的噪声问题.如图所示:当由于某种原因,地 线或电源系统上出现了噪声N 该噪声电压对接收门电路没有任何影响, 线或电源系统上出现了噪声N,该噪声电压对接收门电路没有任何影响,因为接收 门电路的差分比较器并不以本地的参考电压为基准,而是比较输入的差分信号, 门电路的差分比较器并不以本地的参考电压为基准,而是比较输入的差分信号,给 出本级的输出电压信号极性. 出本级的输出电压信号极性.我们也可以认为该噪声是同时叠加在前级门电路的两 个差分输出信号上的,对于接收差分电路,它们相当于共模信号, 个差分输出信号上的,对于接收差分电路,它们相当于共模信号,在差分输入级被 直接相减了. 直接相减了.
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公共通道噪声电压
噪声电压N基本上是与高速信号的回流电流相关.只要逻辑门A 噪声电压 N 基本上是与高速信号的回流电流相关 . 只要逻辑门 A 输出一个信号到逻 辑门C 到达逻辑门C的信号电流必然要通过某个路径返回到逻辑门A 辑门 C , 到达逻辑门 C 的信号电流必然要通过某个路径返回到逻辑门 A , 一般来说是通 过地线系统返回.若地线系统存在着电感,则高速信号就会在电感上产生感应信号, 过地线系统返回.若地线系统存在着电感,则高速信号就会在电感上产生感应信号, 噪声.不仅是逻辑门A 其他任何逻辑产生的回流电流, 即:噪声.不仅是逻辑门A和C,其他任何逻辑产生的回流电流,若回流通道与逻辑门 的地线重合, 也会对它们产生影响. 这个噪声被称为" 公共通道噪声电压" A 和 C 的地线重合 , 也会对它们产生影响 . 这个噪声被称为 " 公共通道噪声电压 " CommonVoltage) 如图6 所示. (Common-Path Noise Voltage).如图6-1-2所示.
如图6 如图6-1-1所示:假定这个电压参 所示: 考值是地电平以上的一个固定的电压 并考虑到一个可能的噪声电压N 值R,并考虑到一个可能的噪声电压N, 则逻辑门C内差分放大器的输入电压为: 则逻辑门C内差分放大器的输入电压为:
差分输入 = Vi N R
(6-1-1) 图6-1-1 单端逻辑电路的电压参考
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基本设计原则1 基本设计原则1
首先我们来看图6 中的电路:这是一个单端逻辑(SingleLogic)电路. 首先我们来看图6-1-1中的电路:这是一个单端逻辑(Single-Ended Logic)电路. 逻辑门A产生一个输出电压信号V 当该信号沿着线B传输到逻辑门C的输入端时, 逻辑门A产生一个输出电压信号V1,当该信号沿着线B传输到逻辑门C的输入端时,逻辑门 需要探测输入的逻辑电平是" 还是 还是" .为了实现这一点,逻辑门C C需要探测输入的逻辑电平是"1"还是"0".为了实现这一点, 逻辑门C使用一个差分放 大器, 将输入电压的信号幅度与其内部的一个参考电压R进行比较.参考电压R 大器, 将输入电压的信号幅度与其内部的一个参考电压R进行比较.参考电压R的值由具 体的逻辑电路系列而定,一般是该系列逻辑电路高,低电平之间的中间值. 体的逻辑电路系列而定,一般是该系列逻辑电路高,低电平之间的中间值.
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例1:双层PCB板的电源与地系统 双层 板的电源与地系统
的双层PCB板的电源与地系统克服了图 单层 板的电源与地系统克服了图2-4单层 板的电源与地系统的缺陷, 图6-1-5的双层 的双层 板的电源与地系统克服了图 单层PCB板的电源与地系统的缺陷, 板的电源与地系统的缺陷 给出一个更好的电源和地的设计.该系统使用了两层PCB覆铜分别作为电源层和地平面层, 给出一个更好的电源和地的设计.该系统使用了两层 覆铜分别作为电源层和地平面层, 覆铜分别作为电源层和地平面层 这种设计保证了电源和地之间几乎完美的低阻抗连接.当两层PCB覆铜相互靠得很近时,它 覆铜相互靠得很近时, 这种设计保证了电源和地之间几乎完美的低阻抗连接.当两层 覆铜相互靠得很近时 们之间存在着大量的平行板电容.在高频时其阻抗极低, 们之间存在着大量的平行板电容.在高频时其阻抗极低,允许高频电流在两板之间很容易地 双向跨越.当信号频率较低时,各个逻辑门旁的旁路电容可以将电源和地平面板短路在一起. 双向跨越.当信号频率较低时,各个逻辑门旁的旁路电容可以将电源和地平面板短路在一起. 系统有一个低阻抗的地平面板连 接着各个器件的接地点, 接着各个器件的接地点,该地平面板 为所有的回流电流提供了低电感通道. 为所有的回流电流提供了低电感通道. 符合基本设计原则1 符合基本设计原则1. 系统有一个低阻抗的电源板连接着 各个器件的电源连接点, 各个器件的电源连接点,提供了低噪 声公共通道.符合基本设计原则2 声公共通道.符合基本设计原则2. 最后一个基本设计原则显然是符 合的.旁路电容构成了低阻抗的通道. 合的.旁路电容构成了低阻抗的通道.