信號完整性分析課件

課程大綱SI簡介信號產(chǎn)生基本原理信號質(zhì)量測試方法信號時序測試方法示波器基礎(chǔ)知識常見的SI問題SI分析信號完整性分析實例電子設(shè)計中的SI問題建模與仿真信號完整性的仿真例子4/20/20231Olica

SI簡介信號產(chǎn)生基本原理信號質(zhì)量測試方法信號時序測試方法示波器基礎(chǔ)知識常見的SI問題SI分析信號完整性分析實例電子設(shè)計中的SI問題建模與仿真信號完整性的仿真例子4/20/20232OlicaSI簡介

SI的重要性

隨著高頻數(shù)字電路的不斷發(fā)展，SI問題變得越來越引人注目，數(shù)字電路的頻率越高，出現(xiàn)SI問題的可能性就越大，對設(shè)計工程師來說，他的挑戰(zhàn)也就越大。很多SI問題實際上都是自然界中的電磁現(xiàn)象，所以SI問題跟EMI/EMC是息息相關(guān)的。4/20/20233OlicaSI簡介

學(xué)習(xí)SI的目的a.什么是典型的信號完整性問題？b.這些問題來自哪里？c.為什么有必要去理解SI問題？d.如何去分析和解決SI問題？e.如何去做SI測試？4/20/20234OlicaSI簡介

SI的內(nèi)容信號完整性它包含兩方面的內(nèi)容，一是獨立信號的質(zhì)量，另一個是時序。我們在電子設(shè)計的過程中不得不考慮兩個問題：信號有沒有按時到達目的地？信號達到目的地后它的質(zhì)量如何？所以我們做信號完整性分析的目的就是確認高頻數(shù)字傳輸?shù)目煽啃浴?/20/20235OlicaSI簡介理想邏輯電壓波形

在數(shù)字系統(tǒng)中，信號以邏輯‘0’或者‘1’的方式從一個器件傳輸?shù)搅硗庖粋€器件，信號到底是‘0’還是‘1’一般來說它們都是有一個參考電平的。在接收端的輸入門里面，如果信號的電壓超過高電平參考電壓Vih，則該信號被識別為高邏輯；如果信號的電壓低于低電平的參考電壓Vil，則該信號就被識別為低邏輯。我們下面這個圖就是一個理想的信號。4/20/20236OlicaSI簡介理想邏輯電壓波形4/20/20237OlicaSI簡介接收端的實際波形4/20/20238OlicaSI簡介數(shù)據(jù)采樣及時序例子數(shù)據(jù)越是復(fù)雜，里面就包含很多的二進制碼，這些二進制碼將組成一連串的波形，而不是簡單的一個方波。接收端的器件就需要采樣這些波形以便獲取相關(guān)的二進制信息。數(shù)字采樣的過程通常是通過時鐘信號的上升沿或者下降沿來觸發(fā)的，我們下面這個圖就是個簡單的例子。4/20/20239OlicaSI簡介數(shù)據(jù)采樣及時序例子4/20/202310OlicaSI簡介數(shù)據(jù)采樣及時序例子從這個圖里面我們可以清楚地看到數(shù)據(jù)必須準時到達邏輯門而且在接收端期間開始鎖存前必須確定它們的邏輯狀態(tài)。任何數(shù)據(jù)的延遲或者失真都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?。失敗有兩種可能：一個是因為接收端根本就無法識別數(shù)據(jù)；另一個是接收端雖然識別了數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)因為失真而導(dǎo)致錯誤。4/20/202311OlicaSI簡介信號產(chǎn)生基本原理信號質(zhì)量測試方法信號時序測試方法示波器基礎(chǔ)知識常見的SI問題SI分析信號完整性分析實例電子設(shè)計中的SI問題建模與仿真信號完整性的仿真例子4/20/202312Olica信號波形聯(lián)想藍黑色中灰綠色Think紅4/20/202313Olica方波的組成聯(lián)想藍黑色中灰綠色Think紅4/20/202314Olica晶振原理石英振蕩器結(jié)構(gòu)4/20/202315Olica壓電效應(yīng)若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

4/20/202316Olica晶振符號和等效電路4/20/202317Olica諧振頻率從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。

根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如上圖所示。可見當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。

4/20/202318Olica石英晶體振蕩器的類型特點國際電工委員會（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩（DCXO）等。

4/20/202319Olica普通晶體振蕩器普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。4/20/202320Olica電壓控制式晶體振蕩器電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。

4/20/202321Olica溫度補償式晶體振蕩器溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。

4/20/202322Olica恒溫控制式晶體振蕩器

恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應(yīng)用甚至達到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

4/20/202323Olica晶體振蕩器的參數(shù)晶振的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。

不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。

4/20/202324Olica晶振的負載電容負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。

4/20/202325Olica頻率精度和頻率穩(wěn)定度頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。

4/20/202326Olica時鐘芯片的架構(gòu)聯(lián)想藍黑色中灰綠色Think紅4/20/202327OlicaPLL基本原理4/20/202328OlicaPLL頻率合成器PLL頻率合成器是由程序分頻器、鑒相器及壓控振蕩器三大部分組成,從晶振束的100KHz標準信號經(jīng)100分頻后得1KHz的基準頻率fR,壓控振蕩頻率f1通過程序分頻得到頻率fM,fM和fR同時加到鑒相器進行比較。只有當(dāng)fR和fM完全同頻同相時,環(huán)路平衡被鎖定,即fR=fM。可見,當(dāng)環(huán)路鎖定時,壓控振蕩器的輸出頻率完全決定于程序分頻器的分頻比,即f1=M·fR,只要改變分頻比M,便可使f1改變,從而得到所需的各個頻率點。

4/20/202329Olica可編程頻率合成器特點：其頻率分辨率0.0291Hz,頻率準確度可控制到4×10e9分之一,噪音電平-70dB以下,諧波失真衰減≥55dB,先進的CMOS工藝不僅使其性能一流,而且功耗小,在3.3V供電時,僅為155mW4/20/202330Olica可編程頻率合成器原理框圖4/20/202331Olica工作原理正弦查詢表是一個可編程存儲器(PROM),存有一個或多個完整周期的正弦波數(shù)據(jù),在時鐘fc的驅(qū)動下,地址計數(shù)器逐步經(jīng)過PROM,地址中相應(yīng)的數(shù)字信號輸入到N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入端，DAC輸出模擬信號,經(jīng)低通濾波器(LPF),可得到一個頻譜純凈的正弦波。系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成,一般為24～32位,每束一個時鐘fc相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加,然后輸入到正弦查詢表地址上,正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息,每個地址對應(yīng)正弦波中0度～360度范圍的一個相位點。

查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號,驅(qū)動DAC輸出模擬量。

4/20/202332Olica

SI簡介信號產(chǎn)生基本原理信號質(zhì)量測試方法信號時序測試方法示波器基礎(chǔ)知識常見的SI問題SI分析信號完整性分析實例電子設(shè)計中的SI問題建模與仿真信號完整性的仿真例子4/20/202333Olica衡量信號品質(zhì)的參數(shù)信號質(zhì)量的參數(shù):振幅參數(shù)，時間參數(shù)，眼圖參數(shù)等。

振幅參數(shù)包括：振幅，高電平，低電平，均方根值，單個周期的均方根值，最大值，最小值，峰峰值，平均值，單個周期平均值，正過沖，負過沖，正欠沖，負欠沖等；

時間參數(shù)包括：上升時間，下降時間，正占空比，負占空比，高電平寬度，低電平寬度，周期，頻率，延遲等；

眼圖參數(shù)包括：眼高，眼寬，眼圖最高點，眼圖最低點，交叉點等；4/20/202334Olica振幅的定義及測試方法振幅是指被測波形的振動幅度，即高電平與低電平的差值，其單位為V或者mV；4/20/202335Olica高電平的定義及測試方法高電平是指信號邏輯“1”所在位置的幅度，其單位通常為V和mV。4/20/202336Olica低電平的定義及測試方法低電平是指信號邏輯“0”所在位置的幅度，其單位通常為V和mV。4/20/202337Olica均方根值的定義及測試方法均方根值是指整個捕獲波形上所有點幅度的均方根值，其單位為V或者mv；4/20/202338Olica周期均方根值的定義及測試方法周期均方根值是指整個捕獲波形上指定一個周期內(nèi)所有點幅度的均方根值，其單位為V或者mV；4/20/202339Olica最大值的定義及測試方法最大值是指所捕獲波形里面振幅最大點所處位置的電壓值，單位為V或者mV；4/20/202340Olica最小值的定義及測試方法最小值是指所捕獲波形里面振幅最小點所處位置的電壓值，單位為V或者mV；4/20/202341Olica峰峰值的定義及測試方法峰峰值是指最大值和最小值相減的絕對值，單位為V或mV；4/20/202342Olica平均值的定義及測試方法平均值是指所捕獲波形里面所有點幅度的平均值；4/20/202343Olica周期平均值的定義及測試方法周期平均值是指所捕獲波形里面所指定一個周期里所有點幅度的平均值；4/20/202344Olica正過沖的定義及測試方法正過沖是指高電平處的過沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202345Olica負過沖的定義及測試方法負過沖是指低電平處的過沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202346Olica正欠沖的定義及測試方法正欠沖是指高電平處的欠沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202347Olica負欠沖的定義及測試方法負欠沖是指低電平處的欠沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202348Olica時間參數(shù)的定義及測試方法時間參數(shù)包括：上升時間，下降時間，正占空比，負占空比，高電平寬度，低電平寬度，周期，頻率，延遲4/20/202349Olica上升時間的定義及測試方法上升時間是指信號從邏輯‘0’跳變到邏輯‘1’時所花費的時間；低頻信號的上升時間測量4/20/202350Olica上升時間的定義及測試方法上升時間是指信號從邏輯‘0’跳變到邏輯‘1’時所花費的時間；高頻信號的上升時間測量4/20/202351Olica下降時間的定義及測試方法下降時間是指信號從邏輯‘1’跳變到邏輯‘0’時所花費的時間；低頻信號的下降時間測量4/20/202352Olica下降時間的定義及測試方法下降時間是指信號從邏輯‘1’跳變到邏輯‘0’時所花費的時間；高頻信號的下降時間測量4/20/202353Olica正占空比的定義及測試方法正占空比是指信號的高電平保持時間占真?zhèn)€周期時間的比例；4/20/202354Olica負占空比的定義及測試方法負占空比是指信號的低電平保持時間占真?zhèn)€周期時間的比例；4/20/202355Olica高電平保持時間的定義及測試方法高電平保持時間是指信號從低到高跳變完成后信號持續(xù)的時間4/20/202356Olica低電平保持時間的定義及測試方法低電平保持時間是指信號從高到低跳變完成后信號持續(xù)的時間4/20/202357Olica周期的定義及測試方法周期是指有固定周期信號連續(xù)完成邏輯0和邏輯1跳變所需時間；4/20/202358Olica頻率的定義及測試方法頻率是指周期信號在一秒內(nèi)完成周期跳變的次數(shù)；4/20/202359Olica延遲的定義及測試方法延遲是指兩個相關(guān)信號之間的相位差；4/20/202360Olica眼圖參數(shù)的定義及測試方法時間參數(shù)包括：眼圖高電平值，眼圖低電平值，眼圖最大值，眼圖最小值，眼圖交叉點位置等。4/20/202361Olica眼圖高電平值的定義及測試方法眼圖高電平值是指眼圖高電平累積部分最低點的值；4/20/202362Olica眼圖低電平值的定義及測試方法眼圖低電平值是指眼圖低電平累積部分最高點的值；4/20/202363Olica眼圖最大值的定義及測試方法眼圖最大值是指眼圖高電平處最高電平所在位置的值；4/20/202364Olica眼圖最小值的定義及測試方法眼圖最小值是指眼圖低電平處最低電平所在電壓值；4/20/202365Olica眼圖交叉點的定義及測試方法眼圖交叉點是指眼圖中的差分信號的上升沿和下降沿的交叉點；4/20/2023