Altium信号完整性分析汇总

Copyright©2006AltiumLimitedALTIUMLIMITED信号完整性分析SignalIntegrityByTonny.MaCopyright©2006AltiumLimited2一、信号完整性分析原理二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited3一、信号完整性分析原理1.信号完整性2.传输线理论3.反射分析4.串扰分析5.电源分布系统二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited4信号完整性分析定义信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。反射(reflection)反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样，就是信号在传输线上的回波现象。在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接收数据错误。一般布线的几何形状、不正确的线端接、布线策略、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。Copyright©2006AltiumLimited5信号完整性分析定义串扰（crosstalk）串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。因此也就把它分为感性串扰和容性串扰，分别引发耦合电流和耦合电压。当信号的边沿速率低于lns时，串扰问题就应该考虑了。如果信号线上有交变的信号电流通过时，会产生交变的磁场，处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。过冲(overshoot)和下冲(undershoot)过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号跳变，也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效，严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。Copyright©2006AltiumLimited6信号完整性分析定义振铃(ringing)振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振铃由传输线上过度的电感和电容引起的接收端与传输线和源端的阻抗不匹配而产生的，通常发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。振铃由反射等多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接或是改变PCB参数予以减小，但是不可能完全消除。信号延迟(delay)电路中只能按照规定的时序接收数据，过长的信号延迟可能导致时序和功能的混乱，在低速的系统中不会有问题，但是信号边缘速率加快，时钟速率提高，信号在器件之间的传输时间以及同步时间就会缩短。驱动过载、走线过长都会引起延时。必须在越来越短的时间预算中要满足所有门延时，包括建立时间，保持时间，线延迟和偏斜。Copyright©2006AltiumLimited7一、信号完整性分析原理1.信号完整性2.传输线理论3.反射分析4.串扰分析5.电源分布系统二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited8传输线理论1.什么时候必须作为传输线考虑？简单的说，传输线是由两条有一定长度的导线组成。如信号在走线上的传输时间大于电平跳变上升/下降时间的一半，则该走线判定为传输线。2.传输线的定义传输线由两个具有一定长度的导体组成，一个导体用来发送信号，另一个用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。3.传输线模型传输线模型段由串联电阻和电感、并联电容组成。Copyright©2006AltiumLimited9传输线理论）（LjRlZs)(11CjGlYZPPCopyright©2006AltiumLimited10传输线理论LCd当信号频率很高我们针对上述传输线模型分析得到如下3个结论：当信号频率100KHz时，传输线的特征阻抗为当信号频率100KHz时，传输线的单位长度传输延时为当信号频率100KHz时，传输线的单位长度损耗为CLZ02200GZZRCopyright©2006AltiumLimited11一、信号完整性分析原理1.信号完整性2.传输线理论3.反射分析4.串扰分析5.电源分布系统二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited12反射分析当驱动器发射一个信号进入传输线时，信号的幅值取决于电压、驱动器的内阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。初始电压Vi将沿着传输线传播直到它到达终端。Vi的幅值决定于内阻和线阻抗之间的分压：Copyright©2006AltiumLimited13反射分析如果传输线末端终接的阻抗正好和线的特征阻抗匹配时，幅值为Vi的信号端接到地，这样电压Vi将保持直到信号源再次转变。这种情况下电压Vi是直流稳态值。否则，如果传输线的末端出现的阻抗不同于传输线特征阻抗，信号的一部分端接到地，而信号的剩余部分将沿着传输线向源头端反射回去。反射系数决定了反射回去的信号数量，它被定义为给定节点上的反射电压和入射电压的比值。反射系数计算如下：Copyright©2006AltiumLimited14反射分析Copyright©2006AltiumLimited15反射分析Copyright©2006AltiumLimited16反射分析为了最小化反射的负面影响，通常采用的有效方法就是给传输线两端终接一个等于特征阻抗的阻抗，并消除反射。当传输线源端设计成匹配于传输线特征阻抗时，总线被认为是源端终接的。此时，因为反射系数为0，任何由于在线远端存在的阻抗不连续（如开路）所产生的反射将在其达到源端时被消除。有多种方式实现这些终接方法。每种方法都有各自的优点和缺点。端接类型相对成本信号时延功率耗费临界参数特性串接方式低显著低Rs=Z0=R0良好的DC噪声并接方式低很小高R=Z0功耗太大Thevenin方式中很小高R=2*Z0大功率CMOS二极管方式高很小低无极限过冲，振铃RC方式中很小中R=Z0,C=20~600pF带宽阻碍Copyright©2006AltiumLimited17一、信号完整性分析原理1.信号完整性2.传输线理论3.反射分析4.串扰分析5.电源分布系统二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited18串扰分析串扰是由电磁耦合形成的，耦合分为容性耦合和感性耦合两种。容性耦合是由于干扰源（Aggressor）上的电压变化在被干扰对象（Victim）上引起感应电流从而导致的电磁干扰，而感性耦合则是由于干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。因此，信号在通过一导体时会在相邻的导体上引起两类不同的噪声信号：容性耦合信号与感性耦合信号。Copyright©2006AltiumLimited19串扰分析Copyright©2006AltiumLimited20串扰分析•串扰的大小与传输线的并行耦合长度L和间距P有关，耦合长度越短，间距越大，串扰就越小。•电流反向时的串扰要大于电流同向时的串扰。•随着动态信号频率的增加，静态线上的串扰幅值也随之增加，频率越高，串扰幅值增加得越快。•信号的上升/下降时间或边沿变化（上升沿和下降沿）对串扰的影响很大，边沿变化越快，串扰越大。•PCB板层之间的电介质层的厚度对串扰的影响很大，对于同一布线结构，当电介质层的厚度增大一倍时，串扰明显加大了，反之，当电介质层厚度减小时，串扰有明显减小。•对于同样的电介质层厚度，带状传输线的串扰要小于微带传输线的串扰•如果给动态线和静态线端接电阻，使之待到阻抗匹配，即=，就能有效抑制串扰。Copyright©2006AltiumLimited21串扰分析1.将两条传输线之间的距离S增大到规则允许的最大情况。2．在设计目标阻抗时，应该尽量使导体靠近地平面（例如，最小化H）。使得传输线可以紧密地与地平面进行耦合，这样可以减少对临近信号线的干扰。3．对于要求严格的网络在系统设计允许时可以使用差分线技术，比如系统时钟信号。4．如果相邻层的传输线有较严重的耦合存在（如层和）时，走线时应彼此正交。5．如果有可能，信号线应该设计成带状线或埋式微带线，以消除传输速度的变化。6．最小化信号间平行走线的长度。7．妥善布局，防止布线时出现拥挤。8．尽量使用上升边沿慢的器件，但是使用此方法要非常小心，否则容易产生负面影响。Copyright©2006AltiumLimited22一、信号完整性分析原理1.信号完整性2.传输线理论3.反射分析4.串扰分析5.电源分布系统二、AltiumDesigner6的SI分析工具三、高速布线分析四、讨论和问答主要内容Copyright©2006AltiumLimited23电源分布系统电源分布系统PowerDistributionSystem（PDS）当电源、地层之间存在足够的去耦电容后，其交流阻抗极小，交流信号可以在任何一层上传输。换言之，对于交流信号而言，电源、地层是没有区别的，可以统称为平面（Plane）平面（Plane）为电流回路提供最低阻抗回路PDS阻抗需要的电流百分数）允许电压波动的比率（电源电压100PDSZCopyright©2006AltiumLimited24设计目标为数字信号提供稳定的电压参考为逻辑电路提供低阻抗的接地连接为逻辑电路提供低阻抗的电源连接为电源和地提供低交流阻抗的通路公共通路阻抗I+-VNCopyright©2006AltiumLimited25设计目标为数字电路正常工作提供电源公共通路阻抗将产生电源和地电位差–XPSW=ESR+2f×ESL–ESR——电源分布系统寄生电阻。低频或直流情况下，是造成电源电位差的主要原因。–ESL——电源分布系统寄生电感。高频情况下，交变电流将在寄生电感上产生电源电位差，其幅度远大于寄生电阻的影响。Copyright©2006AltiumLimited26设计规则PDS必须为电路正常工作提供稳定的、无噪声的电压和电流为数字信号提供稳定的电压参考对于每一个电路来说，PDS应当被视为独立的、相互隔离的，以保证噪声不能通过PDS耦合到其他电路电源、地平面（线）之间应具有尽可能小的交流阻抗PDS必须为信号提供无干扰的回流通路电源、地平面应同时具备空间电场的屏蔽作用尽可能采用平面设计，或保持电源和地线尽可能短和宽，避免“梳状”地线“背靠背”的电源和地层设计，具有最小的PDS阻抗，并具备高频去耦作用，能有效抑制高频噪声配置足够的、均匀分布的去耦电容在数模混合设计中，应为数字电路和模拟电路分别提供独立的PDS大量的不同逻辑电平、不同噪声容限的电路（如TTL、ECL等）在混合设计中，应为它们分别提供独立的PDS不同的电源、地层应相对隔离，不直接叠压Copyright©2006AltiumLimited27叠层结构叠层结构的设计主要考虑以下因素–稳定、低噪声、低交流阻抗的PDS–传输线结构要求–传输线特性阻抗要求–串扰噪声抑制–空间电磁干扰的吸收和屏蔽–结构对称，防止变形在高速数字设计中的一般规则是–电源层数+地层数=信号层数–电源层和地层尽可能成对设计，并至少有一对是“背靠背”设计–采用带状线结构，关键信号传输应采用对称带状线Copyright©2006AltiumLimited28电流回路基本