中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性

信号完整性基础知识张士贤编写中兴通讯上海第一研究所信号完整性基础知识1ZTE中兴前言近年来，通讯技术、计算机技术的发展越来越快，高速数字电路在设计中的运用越来越多，数字接入设备的交换能力已从百兆、千兆发展到几十千兆。高速数字电路设计对信号完整性技术的需求越来越迫切。在中、大规模电子系统的设计中，系统地综合运用信号完整性技术可以带来很多好处，如缩短研发周期、降低产品成本、降低研发成本、提高产品性能、提高产品可靠性。数字电路在具有逻辑电路功能的同时，也具有丰富的模拟特性，电路设计工程师需要通过精确测定、或估算各种噪声的幅度及其时域变化，将电路抗干扰能力精确分配给各种噪声，经过精心设计和权衡，控制总噪声不超过电路的抗干扰能力，保证产品性能的可靠实现。为了满足中兴上研一所的科研需要，我们在去年和今年关于信号完整性技术合作的基础上，克服时间紧、任务重的困难，编写了这份硬件设计培训系列教材的“信号完整性”部分。由于我们的经验和知识所限，这部分教材肯定有不完善之处，欢迎广大读者和专家批评指正。本教材的对象是所内硬件设计工程师，针对我所的实际情况，选编了第一章——导论、第二章——数字电路工作原理、第三章——传输线理论、第四章——直流供电系统设计，相信会给大家带来益处。同时，也希望通过我们的不懈努力能消除大家在信号完整性方面的烦脑。在编写本教材的过程中，得到了沙国海、张亚东、沈煜、何广敏、钟建兔、刘辉、曹俊等的指导和帮助，尤其在审稿时提出了很多建设性的意见，在此一并致谢！张士贤2000年10月31日信号完整性基础知识ZTE中兴2术语、符号和缩略语术语1．信号完整性（SignalIntegrity）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。2．传输线（TransmissionLine）传输线是一个网络（导线），并且它的电流返回到地或电源。3．特性阻抗（CharacteristicImpedance）组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输时，信号的跃变电压（V）和跃变电流（I）的比值称为特性阻抗（Z0），即Z0=V/I。4．反射（Reflection）反射就是在传输线上的回波。信号功率（电压和电流）的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。5．串扰（Crosstalk）串扰是两条信号线之间的耦合。信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。6．过冲（Overshoot）过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。7．下冲（Undershoot）下冲是指下一个谷值或峰值。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。8．电路延迟指信号在器件内传输所需的时间（Tpd）。例如，TTL的电路延迟在3~20nS范围。9．边沿时间器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间（信号波形的10~90%），通常表示为上升沿（Tr）。器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间（信号波形的90~10%），通常表示为下降沿（Tf）。10．占空比偏斜信号传输过程中，从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间的差别，称为占空比偏斜。TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其输出的上升沿和下降沿延迟不同。11．输出到输出偏斜同一器件不同输出引脚之间的信号延迟差别，称为输出到输出偏斜。12．器件到器件偏斜由于制造工艺和使用环境的变化，造成的不同器件对应引脚之间的信号延迟差别，称为器件到器件偏斜。通常，器件之间的偏差远大于其他类型的偏斜。13．动态偏斜主要是指由于温度变化、地或电源噪声造成阀值电平随时间漂移，从而产生信号延迟的变化。信号完整性基础知识3ZTE中兴符号和缩略语VOH——输出高电平VOL——输出低电平VIH——输入高电平VIL——输入低电平VT——阈值电平VOHMIN——输出高电平最小值VOLMAX——输出低电平最大值VIHMIN——输入高电平最小值VILMAX——输入低电平最大值IOL——输出低电平电流IOH——输出高电平电流写在前言：作为一个还在layout门口徘徊的小虾米，贸然记录自己的学习想法是可笑的。但信号完整性基础知识ZTE中兴4每个人并不是出生就会成为大神。只不过有的人天分好，机遇也把握得当，在相对短的时间内，成为万众瞩目的高手。很可惜本人天生愚钝，机遇又很差，在毕业后的三年里浑浑噩噩的憧憬自己的人生，做着自己不喜欢的工程，每天跟着工程队奔波在广阔的祖国大地。不经意在工作的最后阶段接触到PCB设计。对于没有耐心和毅力的我，突然感觉这才是我的人生方向，因为突然发现在绘制板图的时候，我可以很有耐心的拉扯每一条线，呵呵难道这一条条显示屏上的线便是我的命运之线么？如饥似渴的读完买回来的书，又囫囵吞枣的大致看了两遍。感觉到一个人的学习是空虚乏味的，于是想在咱们论坛与各位同我一样，还趴在门缝里仰慕者殿堂中的大神的新手们共同体会我的学习体会。本人至今自学，没有老师带路，言语中的偏差错误，望各位高手给予我醍醐灌顶的指正。在此感谢EricBogatin感谢国内的翻译者李玉山、李丽平等，是他们让我趴在SI的门缝，让我有机会一窥我的成神目标。让论坛记录成神的历程吧！哈哈有些夸口，目标定的太高，大家勿笑。我的第一本SI教材：Signalintegrity:simplified(信号完整性讲义)也是我目前唯一学习过的教材。废话不多说，直接上酸菜！信号完整性问题十个基本准则：前三个为设计理念，后八个为设计思路。6]:h;e!\-L%c$L一：影响研发进度并造成产品产品交货推迟，就是企业付出的最昂贵代价。体会：在论坛中常常争论，是质量重要还是工期重要！我认为都重要，所有的工程都是一个平衡过程，而不是单单一种。质量固然重要，但最重要的是适应性，因为整个工业流程中并不仅仅只是画线路板，最终交到消费者手里才是完整的工艺流程。如果仅仅是为了吹毛求疵而耽误了工期，那么整个工业流程都会耽误。导致产品上市时间推迟，损失不可计量。但为了赶工期，而设计出不合格的产品，那么只能说设计者能力不够。或者这家公司没有这个实力在行业内生存。所以我个人认为：一个优秀的设计者最重要的能力是能够把握质量与工期的平衡关系，在合适的工期内完成满足产品质量。至于大神我估计是在要求的工期内，使产品的质量得到飞跃。二：提高高速产品设计效率的关键是：充分利用分析工具来实现准确的性能预测；使用测量手段来验证设计过程、降低风险、提高设计工具的可信度。9w)M4h!D2L'l(s+q体会：还没用过仿真，认为仿真等的作用是提高可信度，降低风险。如果板级设计所留预量足够，可以简单的用公式计算和经验来代替仿真。三：将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行的途径就是采用经验法则、解析近似、数值仿真或者测量工具来获得数据。这是工程实践的本质。体会：没做过仿真，不知道仿真所需时间。依我来看，以上所说应相对应工程的要求，如果所作产品要求不严格，或者裕量很大，最快的方法是采用经验法则。对于裕量在20~5%的可以采用解析近似。此书上大部分公式及近似值都在10%-5%左右。对于要求更严格的裕量便可采用仿真。裕量大概在2-3%左右。比如DDR等。对于要求更严格的，建模无法满足精度的情况下，即需要直接用测量工具来测量。耗时应该说是逐层递加。'F$M#M,J5d,?四：信号由信号路径和返回路径构成。一个信号在沿着传输线流动过程中每一时刻都会感受到特性阻抗。如果瞬态阻抗为常数，则其信号质量将会获得奇迹般的改善。体会：忘掉覆铜地的概念，在设计初期考虑信号线走向时，就要优先考虑地平面或其他信号返回路径。防止电路板在绘制完信号线后，突然发现返回的地平面出现“濠”，导致高速信号线需要重新规划。单根传输线最优的工作方式是点对点，源阻抗=传输线特性阻抗=负载阻抗。在特性阻抗恒定的情况下，Tr保持不变，变的仅仅是信号的幅值。/j.[*x4L#M9u不明：在线路规划时，一个芯片N个I/O口，而相对的地引脚很少。按照高速信号线返回路径为靠近信号线理论。岂不是在信号的接收端，N条信号线同时走在同一个GND引脚，便会造成信号返回线之间的串扰了么？这样做假设N条信号线同时工作，便会造成很严重的地弹么？芯片的设计原理是什么？五：把接地这一术语忘掉，因为它所造成的问题比用它来解决的问题还多。每一路信号都有返回路径。x*^9Z5`@9p!@体会：个人感觉同上。把接地等同于信号线设计，估计返工的情况大减。不要轻易相信覆铜的威力，覆铜不是铺设地的万金油。并且不合理的覆铜还会引入其他问题，六：当电压变化时，电容上就有电流流过。对于信号的陡峭边，即使电路的PCB板边缘和悬空导线之间的空气形成的边缘线电容也可能有很低的阻抗。体会：电容的原理嘛，两个平行板之间只要有电压差就有电容的存在。电容的作用：隔直通信号完整性基础知识5ZTE中兴交。会使陡峭的信号进入别的导线中。Tr小导致两个问题：1.串扰的发生。2：特性阻抗的变化。两个问题都导致信号受干扰。电容本质上属于一个电压源。七：电感与通过的电流所产生的磁力线匝数有本质关系。只要电流或者磁力线匝数发生改变，在导线的两端就会产生电压。这一电压导致了反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷以及EMI。6V\*P/z6p([#n*s.Ix体会：电感并不是电感，而是磁场效应。改变磁场，便会产生阻碍磁场变化的电流。本质上属于一个电流源。反射噪声原因：特性阻抗发生变化；串扰原因：切割磁力线，产生电流；开关噪声：概念不懂，明天查查。*q4r$b9P8G6u(X:A+b3C八：当流经接地回路电感上的电流变化时，在接地回路导线上产生的电压称之为地弹。它是造成开关噪声和EMI的内部机理。-W2F`!N#Y3j9[#p,v1H体会：所谓“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（groundbounce）。当器件输出端有一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。对于任何封装的芯片，其引脚会存在电感电容等寄生参数。而地弹正是由于引脚上的电感引起的。------摘自百度。解决的办法是，减小回路的有效电感。7U1V8j6U5]%o3Z*w地弹与轨道塌陷的区别为：一个指信号的地电平发生变化，图示为下冲。一个指电源电压地电平的变化，图示为上冲。九：以同频率的方波作为参考，信号带宽是指有效正弦波分量的最高频率值。在使用模型来预计分析时，要高过实际信号的带宽。体会：没啥说的，十：信号完整性中的公式给出的是定义或者近似。在特别需要准确的场合不要使用近似。0^1H%X4k$y-G+w*w体会：此书大部分公式皆为近似，对于要求严格的电路，还是仿真或者采用实际测量准确。应付要求不高的，便可以采用经验法啦。第一章：信号完整性分析概论高速领域：时钟频率超过100MHz或者Tr小于1ns，信号完整性效应就变得重要。通常将这种情况称之为高频领域或高速领域。6f%m*C0L:c'|1|体会：可作为经验法则。大致判断某块电路是否需要进行计算或仿真。对于低于此频率以下，Tr以上的，便可采用大致的经验来设计。对于低频唯一的要求就是联通即可。高一点的要求便是美观工整。按要求设计呗，不用考虑太多SI问题。做好PDS即可了。+zdpstrongEMC设计三要素:开关电源及数字设备由于脉冲电流和电压具有很丰富的高频谐波，因此会产生很强的辐射。电磁干扰包括辐射型(高频)EMI、传导型(低频)EMI，即产生EMC问题主要通过两个途径:一个是空间电磁波干扰的形式;另一个是通过传导的形式，换句话说，产生EMC问题的三个要素是：电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。辐射干扰主要通过壳体和连接线以电磁波形式污染空间电磁环境；传导干扰是通过电源线骚扰公共电网或通过其