高速信號與信號完整性分解

1、高速數(shù)字信號由信號的邊沿速度決定，一般認為上升時間小于4 倍信號傳輸延遲時可視為高速信號，而高頻信號是針對信號頻率而言的。高速電路涉及信號分析、傳輸線、模擬電路的知識。錯誤的概念是：8KHz幀信號為低速信號。 多高的頻率才算高速信號？ TOC o 1-5 h z 當信號的上升/下降沿時間100MH 他（ Tr100MHz時才考慮高頻規(guī)則進行設計，還要看傳輸介質(zhì)而定。通常約定如果線傳播延時大于1/2數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時間，則認為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應。信號的傳遞發(fā)生在信號狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時間。信號從驅(qū)動端到接收端經(jīng)過一段固定的時間，如果傳輸時間小于1/2 的上升或下降時

2、間，那么來自接收端的反射信號將在信號改變狀態(tài)之前到達驅(qū)動端。反之，反射信號將在信號改變狀態(tài)之后到達驅(qū)動端。如果反射信號很強，疊加的波形就有可能會改變邏輯狀態(tài)。什么是長線高速系統(tǒng)中的長線（Electrically Long Trace ）定義可以從頻域和時域兩個角度來定義：1、頻域定義當線的物理長度和相應頻率的波長具有可比性的時候（一般的說法是大于1/20 波長） ，這樣的 trace 就叫做 Electrically Long Trace ，或者 transmission line（傳輸線）。2、時域定義當信號線的傳輸延遲（propagation delay）大于1/4 信號上升時間（rise

3、 time）的時候，該信號線就應視為傳輸線。什么是微帶線和帶狀線.微帶線參考平面(reference plane)只有一個。有些朋友認為微帶線就是位于PCB 表層的傳輸線。這種看法不全面。設想一種情形：一個多層板的第一和第二層都是信號層，而第三層為地平面，那么在第一和第二層上的傳輸線都叫微帶線。位于第二層的微帶線也叫做掩埋式微帶線(embedded microstrip ) 。微帶線的阻抗與它的線寬、頻率和它到參考平面的垂直距離有關。.帶狀線位于兩個參考平面之間，所以它有兩個參考平面，阻抗的計算公式與微帶線的也不一樣。當然，帶狀線肯定是位于PCB 的內(nèi)層。什么是信號完整性信號完整性(Signa

4、l Integrity )：就是指電路系統(tǒng)中信號的質(zhì)量，如果在要求的時間內(nèi)，信號能不失真地從源端傳送到接收端，我們就稱該信號是完整的。信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時候，具有所必需達到的電壓電平數(shù)值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。信號完整性的一些基本概念傳輸線(Transmission Line )：由兩個具有一定長度的導體組成回路的連接線,我們稱之為傳輸線, 有時也被稱為延遲線。集總電路(Lumped circuit )：在一般的電路分析中, 電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的

5、各個點上, 各個元件上, 各點之間的信號是瞬間傳遞的, 這種理想化的電路模型稱為集總電路。分布式系統(tǒng)(Distributed System) ：實際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處,當這種分散性造成的信號延遲時間與信號本身的變化時間相比已不能忽略的時侯,整個信號通道是帶有電阻、電容、電感的復雜網(wǎng)絡, 這就是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。上升 /下降時間 ( Rise/Fall Time ) ： 信號從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r間,通常是量度上升/下降沿在10%-90% 電壓幅值之間的持續(xù)時間,記為Tr。截止頻率(Knee Frequency )：這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率

6、范圍(0.5/Tr ) ,記為 Fknee, 一般認為超過這個頻率的能量對數(shù)字信號的傳輸沒有任何影響。特征阻抗(Characteristic Impedance )：交流信號在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗, 也稱為浪涌阻抗, 記為 Z0 ?？梢酝ㄟ^傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(V/I) 來表示。傳輸延遲(Propagation delay )：指信號在傳輸線上的傳播延時,與線長和信號傳播速度有關,記為 tPD 。微帶線(Micro-Strip )：指只有一邊存在參考平面的傳輸線。帶狀線(Strip-Line )：指兩邊都有參考平面的傳輸線。趨膚效應(Skin

7、effect )：指當信號頻率提高時, 流動電荷會漸漸向傳輸線的邊緣靠近, 甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應, 現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導體的內(nèi)側。反射( Reflection )：指由于阻抗不匹配而造成的信號能量的不完全吸收, 發(fā)射的程度可以有反射系數(shù) 表示。過沖 / 下沖( Over shoot/under shoot )：過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設定電壓對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓; 對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓, 而下沖就是指第二個谷值或峰值。振蕩：在一個時鐘周期中, 反復的出現(xiàn)過沖和下沖, 我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴(R

8、inging )和環(huán)繞振蕩,振鈴為欠阻尼振蕩, 而環(huán)繞振蕩為過阻尼振蕩。匹配( Termination )：指為了消除反射而通過添加電阻或電容器件來達到阻抗一致的效果。因為通常采用在源端或終端, 所以也稱為端接。串擾：串擾是指當信號在傳輸線上傳播時, 因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾, 這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。信號回流(Return current )：指伴隨信號傳播的返回電流。自屏蔽 ( Self shielding ) ： 信號在傳輸線上傳播時, 靠大電容耦合抑制電場,靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。前向串擾(Forward Cros

9、stalk )：指干擾源對犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為遠端干擾(Far-end crosstalk) 。后向串擾(Forward Crosstalk )：指干擾源對犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為近端干擾(Near-end crosstalk) 。屏蔽效率(SE )：是對屏蔽的適用性進行評估的一個參數(shù), 單位為分貝。吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩的時候能量損耗的數(shù)量。反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導致的能量損耗的數(shù)量, 他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù), 由于屏蔽物吸收效率不高, 其內(nèi)部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量

10、增加,所以校正因子是個負數(shù),而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個反射的情況分析。差模 EMI ：傳輸線上電流從驅(qū)動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI, 就叫做差模EMI 。共模 EMI ：當兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動端輸出到接收端的時候,就會產(chǎn)生共模輻射既共模 EMI 。發(fā)射帶寬：即最高頻率發(fā)射帶寬, 當數(shù)字集成電路從邏輯高低之間轉換的時候, 輸出端產(chǎn)生的方波信號頻率并不是導致EMI 的唯一成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量, 這些正弦諧波分量是工程師所關心的EMI 頻率成分, 而最高的EMI 頻率也稱為EMI 的發(fā)射帶寬。電磁環(huán)境：存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)

11、象的總和。電磁騷擾：任何能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁干擾：電磁騷擾引起設備、傳輸通道和系統(tǒng)性能的下降。電磁兼容性：設備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。系統(tǒng)內(nèi)干擾：系統(tǒng)中出現(xiàn)由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾引起的電磁干擾。系統(tǒng)間干擾：有其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對一個系統(tǒng)造成的電磁干擾。靜電放電：具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時候而引起的電荷轉移。建立時間(Setup Time )：建立時間就是接收器件需要數(shù)據(jù)提前于時鐘沿穩(wěn)定存在于輸入端的時間。保持時間 ( Hold Time ) ： 為了成功的鎖

12、存一個信號到接收端,器件必須要求數(shù)據(jù)信號在被時鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時間, 以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個最小的時間就是我們說的保持時間。飛行時間(Flight Time )：指信號從驅(qū)動端傳輸?shù)浇邮斩? 并達到一定的電平之間的延時, 和傳輸延遲和上升時間有關。Tco ：是指器件的輸入時鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號有效的時間差, 這是信號在器件內(nèi)部的所有延遲總和一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。緩沖延遲(buffer delay )：指信號經(jīng)過緩沖器達到有效的電壓輸出所需要的時間時鐘抖動(Jitter )：時鐘抖動是指時鐘觸的, 和后期布線沒有關系。時鐘偏移(Skew )：是指由同樣的時鐘產(chǎn)生的多個子時鐘

13、信號之間的延時差異。假時鐘 : 假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold) 無意識地改變了狀態(tài)( 有時在 VIL 或 VIH 之間 ) 。通常由于過分的下沖(undershoot) 或串擾 (crosstalk) 引起。電源完整性(Power Integrity) ： 指電路系統(tǒng)中的電源和地的質(zhì)量。同步開關噪聲( Simultaneous Switch Noise ) ： 指當器件處于開關狀態(tài), 產(chǎn)生瞬間變化的電流( di/dt ) ,在經(jīng)過回流途徑上存在的電感時, 形成交流壓降, 從而引起噪聲, 簡稱 SSN 。也稱為i 噪聲。地彈( Ground Bounce )：指由于封裝電感而引起地

14、平面的波動,造成芯片地和系統(tǒng)地不一致的現(xiàn)象。同樣 , 如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異, 就稱為電源反彈(Power Bounce )。傳輸線(Transmission Line )：由兩個具有一定長度的導體組成回路的連接線, 我們稱之為傳輸線, 有時也被稱為延遲線。集總電路(Lumped circuit )：在一般的電路分析中, 電路的所有參數(shù), 如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個點上, 各個元件上, 各點之間的信號是瞬間傳遞的, 這種理想化的電路模型稱為集總電路。分布式系統(tǒng)(Distributed System) ：實際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處 , 當這種分

15、散性造成的信號延遲時間與信號本身的變化時間相比已不能忽略的時侯,整個信號通道是帶有電阻、電容、電感的復雜網(wǎng)絡, 這就是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。上升 / 下降時間(Rise/Fall Time )：信號從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r間, 通常是量度上升/ 下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時間, 記為 Tr。截止頻率(Knee Frequency )：這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍( 0.5/Tr ) , 記為 Fknee, 一般認為超過這個頻率的能量對數(shù)字信號的傳輸沒有任何影響。特征阻抗(Characteristic Impedance)：交流信號在傳輸線上傳播中的每一步遇

16、到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗, 也稱為浪涌阻抗, 記為Z0?？梢酝ㄟ^傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(V/I) 來表示。傳輸延遲(Propagation delay )：指信號在傳輸線上的傳播延時, 與線長和信號傳播速度有關, 記為tPD。微帶線(Micro-Strip )：指只有一邊存在參考平面的傳輸線。帶狀線(Strip-Line )：指兩邊都有參考平面的傳輸線。趨膚效應(Skin effect)：指當信號頻率提高時, 流動電荷會漸漸向傳輸線的邊緣靠近 , 甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應, 現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導體的內(nèi)側。反射( Reflection )：指由于阻

17、抗不匹配而造成的信號能量的不完全吸收, 發(fā)射的程度可以有反射系數(shù) 表示。過沖 / 下沖( Over shoot/under shoot )：過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設定電壓對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓 ; 對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓, 而下沖就是指第二個谷值或峰值。振蕩：在一個時鐘周期中, 反復的出現(xiàn)過沖和下沖, 我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴(Ringing )和環(huán)繞振蕩, 振鈴為欠阻尼振蕩, 而環(huán)繞振蕩為過阻尼振蕩。匹配( Termination )：指為了消除反射而通過添加電阻或電容器件來達到阻抗一致的效果。因為通常采用在源端或終端, 所以

18、也稱為端接。串擾：串擾是指當信號在傳輸線上傳播時, 因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾, 這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。信號回流(Return current )：指伴隨信號傳播的返回電流。自屏蔽(Self shielding )：信號在傳輸線上傳播時, 靠大電容耦合抑制電場, 靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。前向串擾(Forward Crosstalk)：指干擾源對犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾, 也稱為遠端干擾(Far-end crosstalk) 。后向串擾(Forward Crosstalk)：指干擾源對犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾,

19、也稱為近端干擾(Near-end crosstalk) 。屏蔽效率(SE)：是對屏蔽的適用性進行評估的一個參數(shù), 單位為分貝。吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩的時候能量損耗的數(shù)量。反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導致的能量損耗的數(shù)量, 他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù), 由于屏蔽物吸收效率不高, 其內(nèi)部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加, 所以校正因子是個負數(shù), 而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個反射的情況分析。差模EMI：傳輸線上電流從驅(qū)動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI,就 TOC o 1-5 h z 叫做差模EMI。共模

20、EMI：當兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動端輸出到接收端的時候,就會產(chǎn)生共模輻射, 既共模EMI。發(fā)射帶寬：即最高頻率發(fā)射帶寬, 當數(shù)字集成電路從邏輯高低之間轉換的時候, 輸出端產(chǎn)生的方波信號頻率并不是導致EMI 的唯一成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量 , 這些正弦諧波分量是工程師所關心的EMI頻率成分, 而最高的EMI頻率也稱為EMI的發(fā)射帶寬。電磁環(huán)境：存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。電磁騷擾：任何能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生 損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁干擾：電磁騷擾引起設備、傳輸通道和系統(tǒng)性能的下降。電磁兼容性：設備或者系統(tǒng)在電磁

21、環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不 能承受的電磁騷擾的能力。系統(tǒng)內(nèi)干擾：系統(tǒng)中出現(xiàn)由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾引起的電磁干擾。系統(tǒng)間干擾：有其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對一個系統(tǒng)造成的電磁干擾。靜電放電：具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時候而引起的電荷轉移。建立時間(Setup Time )：建立時間就是接收器件需要數(shù)據(jù)提前于時鐘沿穩(wěn)定存在于輸入端的時間。保持時間(Hold Time )：為了成功的鎖存一個信號到接收端, 器件必須要求數(shù)據(jù)信號在被時鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時間, 以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個最小的時間就是我們說的保持時間。飛行時間(Flight Time )：指信號從驅(qū)動端傳輸

22、到接收端, 并達到一定的電平之間的延時 , 和傳輸延遲和上升時間有關。Tco：是指器件的輸入時鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號有效的時間差, 這是信號在器件內(nèi)部的所有延遲總和, 一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。緩沖延遲(buffer delay )：指信號經(jīng)過緩沖器達到有效的電壓輸出所需要的時間時鐘抖動(Jitter )：時鐘抖動是指時鐘觸發(fā)沿的隨機誤差, 通?？梢杂脙蓚€或多個時鐘周期之間的差值來量度, 這個誤差是由時鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的, 和后期布線沒有關系。時鐘偏移(Skew)：是指由同樣的時鐘產(chǎn)生的多個子時鐘信號之間的延時差異。假時鐘 : 假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold) 無意識地改變了狀

23、態(tài)(有時在 VIL 或VIH 之間 )。通常由于過分的下沖(undershoot) 或串擾 (crosstalk) 引起。電源完整性(Power Integrity) ： 指電路系統(tǒng)中的電源和地的質(zhì)量。同步開關噪聲(Simultaneous Switch Noise )：指當器件處于開關狀態(tài), 產(chǎn)生瞬間變化的電流(di/dt ) , 在經(jīng)過回流途徑上存在的電感時, 形成交流壓降, 從而引起噪聲, 簡稱SSN。也稱為 i 噪聲。地彈( Ground Bounce )：指由于封裝電感而引起地平面的波動, 造成芯片地和系統(tǒng)地不一致的現(xiàn)象。同樣, 如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異, 就稱為電

24、源反彈Power Bounce ）。/P如果你發(fā)現(xiàn)，以前低速時代積累的設計經(jīng)驗現(xiàn)在似乎都不靈了，同樣的設計，以前沒問題，可是現(xiàn)在卻無法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件設計中最核心的問題：信號完整性 。早一天遇到，對你來說是好事。在過去的低速時代，電平跳變時信號上升時間較長，通常幾個ns。器件間的互連線不至于影響電路的功能，沒必要關心信號完整性問題。但在今天的高速時代，隨著IC 輸出開關速度的提高，很多都在皮秒級，不管信號周期如何，幾乎所有設計都遇到了信號完整性問題。 另外，對低功耗追求使得內(nèi)核電壓越來越低，1.2v 內(nèi)核電壓已經(jīng)很常見了。因此系統(tǒng)能容忍的噪聲余量越來越小，這也使得信號完整性問題更

25、加突出。廣義上講，信號完整性是指在電路設計中互連線引起的所有問題，它主要研究互連線的電氣特性參數(shù)與數(shù)字信號的電壓電流波形相互作用后，如何影響到產(chǎn)品性能的問題。主要表現(xiàn)在對時序的影響、信號振鈴、信號反射、近端串擾、遠端串擾、開關噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負載、電磁輻射、電磁干擾等。信號完整性問題的根源在于信號上升時間的減小。即使布線拓撲結構沒有變化，如果采用了信號上升時間很小的IC 芯片，現(xiàn)有設計也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。下面談談幾種常見的信號完整性問題。反射 ：圖 1 顯示了信號反射引起的波形畸變。看起來就像振鈴，拿出你制作的電路板，測一測各種信號，比如時鐘輸出或是高速數(shù)據(jù)

26、線輸出，看看是不是存在這種波形。如果有，那么你該對信號完整性問題有個感性的認識了，對，這就是一種信號完整性問題。很多硬件工程師都會在時鐘輸出信號上串接一個小電阻，至于為什么，他們中很多人都說不清楚，他們會說，很多成熟設計上都有，照著做的?；蛟S你知道，可是確實很多人說不清這個小小電阻的作用，包括很多有了三四年經(jīng)驗的硬件工程師，很驚訝么?可這確實是事實，我碰到過很多。其實這個小電阻的作用就是為了解決信號反射問題。而且隨著電阻的加大，振鈴會消失，但你會發(fā)現(xiàn)信號上升沿不再那么陡峭了。這個解決方法叫阻抗匹配，奧，對了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信號完整性問題中占據(jù)著極其重要的地位。串擾 ：如果足夠細心你

27、會發(fā)現(xiàn)，有時對于某根信號線，從功能上來說并沒有輸出信號，但測量時，會有幅度很小的規(guī)則波形，就像有信號輸出。這時你測量一下與它鄰近的信號線，看看是不是有某種相似的規(guī)律！對， 如果兩根信號線靠的很近的話，通常會的。這就是串擾。當然，被串擾影響的信號線上的波形不一定和鄰近信號波形相似，也不一定有明顯的規(guī)律，更多的是表現(xiàn)為噪聲形式。串擾在當今的高密度電路板中一直是個讓人頭疼的問題，由于布線空間小，信號必然靠得很近，因此你比須面對它，只能控制但無法消除。對于受到串擾的信號線，鄰近信號的干擾對他來說就相當于噪聲。串擾大小和電路板上的很多因素有關，并不是僅僅因為兩根信號線間的距離。當然， 距離最容易控制，也

28、是最常用的解決串擾的方法，但不是唯一方法。這也是很多工程師容易誤解的地方。 更深入的討論，我會在后續(xù)文章中陸續(xù)推出，如果你感興趣，可以常來于博士信號完整性研究網(wǎng) HYPERLINK ，關注博士講壇欄目。 TOC o 1-5 h z 軌道塌陷：噪聲不僅存在于信號網(wǎng)絡中，電源分配系統(tǒng)也存在。我們知道，電源和地之間電流流經(jīng)路徑上不可避免存在阻抗，除非你能讓電路板上的所有東西都變成超導體。那么， 當電流變化時，不可避免產(chǎn)生壓降，因此，真正送到芯片電源管腳上的電壓會減小，有時減小得很厲害，就像電壓突然產(chǎn)生了塌陷，這就是軌道塌陷。軌道塌陷有時會產(chǎn)生致命的問題，很可能影響你的電路板的功能。高性能處理器集成的門數(shù)越來越多，開關速度也越來越快，在更短的時間內(nèi)消耗更多的開關電流，可以容忍的噪聲變得越來越小。但同時控制噪聲越來越難， 因為高性能處理器對電源系統(tǒng)的苛刻要求，構建更低阻抗的電源分配系統(tǒng)變得越來越困難。