電子電路信號完整性及影響因素

1、第第1章章 基本知識基本知識n1-1 信號與信號完整性（signal integrity）n1-2 頻率與時間n1-3 時間與距離n1-4 集總系統(tǒng)與分布系統(tǒng)n1-5 -3db頻率與上升時間n1-6 四種電抗n1-7 高速數(shù)字系統(tǒng)中的電阻、電容和電感元件1-1 信號與信號完整性（signal integrity）n信號：使用非常廣泛。從信息論的角度，信號是信息的一種物理體現(xiàn)，是信息的載體。廣義地信號定義為一個隨時間（和位置）變化的物理量。n模擬信號：在規(guī)定的連續(xù)時間范圍內(nèi)，信號幅度值可以取連續(xù)范圍的任意數(shù)值。簡單地講：是指時間和幅度均是連續(xù)的物理量。n數(shù)字信號：在時間和幅度上都量化后取得的信號

2、。它是以某種時間間隔依次出現(xiàn)的數(shù)字序列。簡單地講：是指時間和幅度均是離散的物理量。一一. 數(shù)字信號數(shù)字信號1. 理想的數(shù)字信號理想的數(shù)字信號 數(shù)學(xué)模型1： 數(shù)學(xué)模型2：2. 實際的數(shù)字信號實際的數(shù)字信號n上升時間（tr）: 數(shù)字信號上升沿中對應(yīng)滿幅度 電 壓 的 1 0 % 9 0 % 處 的 時 間 間 隔 。n下降時間（tf）: 數(shù)字信號下降沿中對應(yīng)滿幅度 電 壓 的 9 0 % 1 0 % 處 的 時 間 間 隔 。n上沖（overshoot）:上沖又被稱為過沖。它指的是沿著信號邊沿的跳變方向，信號波形中超出穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。對于上升沿，是從“0”到“1”的跳變，在高電

3、平處高于邏輯電平“1”穩(wěn)定電壓值的部分。對于下降沿，這應(yīng)是從“1”到“0”的跳變，在低電平處低于邏輯電平“0”電壓穩(wěn)定值的部分。n下沖（undershoot）:又稱反沖。指信號在過沖后，又沿著跳變方向的反方向，信號波形越過穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。對于上升沿，即：從“0”到“1”的跳變，信號上沖后，反過來又低于邏輯電平“1”的穩(wěn)定電壓值的部分。對于下降沿，即：從“1”到“0”的跳變，信號過沖后，反過來又高于邏輯電平“0”的電壓穩(wěn)定值的部分。占空比（duty cycle）：時鐘信號在一個周期內(nèi)的高低電平的時間寬度之比。一般用百分比來表示，如果信號脈寬t,周期t,則占空比為（t/t*10

4、0）。n振鈴（ring）:信號發(fā)生連續(xù)多次的上沖和下沖所形成的震蕩。其振幅應(yīng)是一次比一次小，逐漸趨于零。n噪聲容限（noise margin） ：是量度邏輯電路在最壞工作條件下的抗干擾能力的直流電壓指標(biāo), 它規(guī)定了ecl電路在穩(wěn)定狀態(tài)時允許的最大噪聲。定義為最差輸入邏輯電平值(vihmin或vilmax)與在這種輸入條件下所能保證的最差輸出邏輯電平值(vohmin或vol max)之差。這里有兩個噪聲容限定義：表示高電平狀態(tài)時的噪聲容限, 表示低電平狀態(tài)時的噪聲容限。二. 信號完整性n信號完整性涉及到兩個方面：信號波形的完整性和時序的完整性。n信號波形的完整性：經(jīng)常提及的術(shù)語即上述的五個基本概

5、念，這就是：信號的上升時間；下降時間；上沖；下沖；振鈴；以及接收端的信號還存在多大的噪聲容限。n時序完整性主要關(guān)注的是同步時序方程是否能滿足。經(jīng)常涉及到是時序偏差（skew）和抖動(jitter)的概念。n時序偏差：時序信號的理想“沿變”和實際上的“沿變” 之差。n在實際系統(tǒng)中，造成時序信號的“沿變”與理想“沿變”存在差別的一個主要原因是邏輯器件的信號傳輸延遲時間上存在著差別。因此，人們也常直觀地將時序偏差定義為器件輸出時序信號的傳輸延遲之差。n兩類時序偏差：從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有可能引起時序信號的實際“沿變”與理想的“沿變”不同。可以分為兩類

6、。n內(nèi)部時序偏差（intrinsic skew）：由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號延遲上的差別。n外部時序偏差（extrinsic skew）：由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別。n時序抖動：當(dāng)實際信號的邊沿與理想時序邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時，而且這種變化是隨機的，這種現(xiàn)象就是我們常說的時序抖動，或者說時序晃動。這種偏離相對于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，時序抖動的數(shù)值表示通常有兩種： 1. 時鐘抖動的最大值，即峰-峰值（peak-peak），單位：ps 2. 時鐘抖動的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（），單位：psn數(shù)字信號

7、的邊沿抖動，對系統(tǒng)的影響可以認(rèn)為是一種動態(tài)行為，或者說其影響是隨機的，對系統(tǒng)性能破壞更大，尤其是時鐘信號的抖動，常常是制約高速數(shù)字系統(tǒng)性能的根本因素。實際的數(shù)字信號實際的數(shù)字信號要點：n在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計時，實際的數(shù)字波形必須考慮。既：要保持信號的完整性。n信號完整性涉及到兩個方面：波形完整性和時序完整性。n波形完整性要素： 上升和下降時間. 上沖和下沖. 振鈴. 噪聲容限. 占空比n時序完整性要素： 同步時序方程. 時序偏差. 時序噪聲1-2 頻率與時間n電路元件的參數(shù)對頻率敏感，在不同的頻率范圍內(nèi)會表現(xiàn)出來不同的特性。任何一種電參數(shù)，其數(shù)值僅在一定的頻率范圍內(nèi)有效?？紤]兩個極端情況：1.

8、一個頻率為10 -12的正弦波 波形變化一個周期需要3萬年；若輸入到ttl電路，其輸出電壓每天變化不到1mv (1年3.15107秒)。任何一個包含這樣低頻率的半導(dǎo)體器件的試驗都會以失敗而告終。2. 一個頻率為10 12的正弦波 信號周期為1ps，數(shù)字電路根本無法響應(yīng)這個信號。 一些電路參數(shù)發(fā)生變化。如地線的電阻由于趨膚效應(yīng)由0.01（1khz）變?yōu)? ，還有50 的感應(yīng)電抗。膝頻率與上升時間n任何數(shù)字信號的膝頻率只與數(shù)字信號的上升（任何數(shù)字信號的膝頻率只與數(shù)字信號的上升（t tr r）和）和下降沿時間（下降沿時間（t tf f）有關(guān)，而與時鐘速率無關(guān)。）有關(guān)，而與時鐘速率無關(guān)。n容易看出，上

9、升沿時間越小，膝頻率越大，上升沿時間越大，膝頻率越小。數(shù)字信號重要的時域特性基本上都是由fknee頻率以及其以下的頻率成分所決定。n兩個重要結(jié)論：兩個重要結(jié)論： 任何電路若對頻率fknee及其以下頻率有平坦的響應(yīng)曲線的話，那么信號通過此電路不會失真。 數(shù)字電路對高于其fknee以上的輸入頻率成分的相應(yīng)不會影響到對正常的低于fknee的信號的處理。膝頻率的應(yīng)用n膝頻率只與數(shù)字信號的上升（tr）有關(guān)，與其它參數(shù)無直接關(guān)系，易于記憶和使用。n膝頻率只是對數(shù)字信號最高頻率成分的一個粗略估計，而不是對頻譜成分的一個精確描述。n膝頻率是有局限性的。n任何電路若對頻率fknee及其以下頻率有平的響應(yīng)曲線，那

10、么信號通過此電路不會失真。n如果一個系統(tǒng)在fknee頻率以下的響應(yīng)并不平坦，那么會對信號產(chǎn)生怎樣的畸變呢？要點：n電路的高頻響應(yīng)影響它對短時間事件的處理。n電路的低頻響應(yīng)影響它對長時間事件的處理。n數(shù)字信號的能量大都集中在它的膝頻率以下的頻率范圍。n電路在低于膝頻率的頻率范圍的行為確定了它對階躍信號沿的處理。n電路在高于膝頻率的頻率范圍的行為對其數(shù)字信號的性能沒有什么影響。1-3 時間與距離n電信號以光速傳播。我們關(guān)心信號在具體電路中傳輸所需要的時間，以及單位時間內(nèi)傳輸?shù)木嚯x。也就是說：單位傳輸延遲時間和傳播速度。n導(dǎo)線和印刷電路板連線上的電信號，其傳播速度取決于它們周圍的介質(zhì)。 單位：in/

11、ps; cm/ps; cm/ns。（1in = 2.54cm） r r ：介電常數(shù)（相對介質(zhì)常數(shù)）。表征介質(zhì)材料在單位電場中存儲的能量大小。真空中r r 為1，其它任何絕緣材料均大于1。n傳播速度的倒數(shù)稱為單位傳輸延遲時間，其數(shù)值正比于材料介電常數(shù)的平方根。單位：ps/ in; ps/cm; ns/cm 。prcvrdtc單位傳輸延遲時間n印刷電路板連線的單位傳輸延遲時間取決于兩方面：印刷電路板材料的介電常數(shù)：常用的fr-4印刷電路板材料的介電常數(shù)為4.720。在高頻時為4.5。計算傳輸延遲時間時，使用其高頻值：4.5。 連線的幾何形狀決定了印刷電路板上的電場是被約束在板上還是發(fā)散到周圍的空氣中。當(dāng)電場被約束在板上時，其等效介電常數(shù)較大，信號傳輸就慢。當(dāng)電路連線被上下兩層地面板夾在中間時，其電場就完全被約束在板內(nèi)。對于典型的fr-4印刷電路板材料，等效介電常數(shù)大約為4.5。印刷電路板外層的連線，其電場一面向空氣中分布，另一面存在于fr-4材料中。其等效介電常數(shù)介于1 和