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信号完整性基础知识_信号完整性终稿_张士贤编写(doc X页)

hungry146
2017-12-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《信号完整性基础知识_信号完整性终稿_张士贤编写(doc X页)doc》,可适用于活动策划领域

信号完整性基础知识信号完整性终稿张士贤编写(docX页)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~张士贤年月日ZTE中兴信号完整性基础知识术语、符号和缩略语术语(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。(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。(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(Z)即Z=VI。(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。(串扰(Crosstalk)串扰是两条信号线之间的NV输入低电平最大值ILMAXI输出低电平电流OLI输出高电平电流OHZTE中兴信号完整性基础知识目录第章高速数字系统设计的信号完整性分析导论基本概念理想的数字信号波形理想的TTL数字信号波形理想的CMOS数字信号波形理想的ECL数字信号波形数字信号的畸变(或信号不完整)地线电阻的电压降的影响地电平(电平)直流引起的低电平提高信号线电阻的电压降的影响电源线电阻的电压降的影响转换噪声串扰噪声反射噪声边沿畸变研究的目的降低产品成本(略)缩短研发周期降低开发成本(略)提高产品性能(略)提高产品可靠性研究领域各种电路工作原理(略)各种电路噪声容限(略)各种电路在系统中的噪声(略)系统各部件的频率特性(略)信号传输(略)信号延迟(略)PCB结构设计(略)电源分配设计(略)地、电源滤波(略)热设计(略)研究手段物理实验验证(略)数学模型计算(略)软件模拟分析(略)经验规则估计第章数字电路工作原理数字电路分类GaAs(砷化钾)速度快,但功耗大,制作原料剧毒,未成熟使用硅:使用极为广泛处于不断发展中基本结构和特点TTLZTE中兴信号完整性基础知识CMOS速度接近于TTL功耗小单元尺寸小适合于大规模集成LVDS:低电压数字系统ECL(PECL)电路特性转换特性VI特性:电压与电流之间的关系特性曲线热特性及寿命直流噪声容限NMDC交流噪声容限NMAC电路互连工作电压:器件工作时施加于器件电源脚上的电压逻辑电平范围噪声(N)电路选型基本原则采用标准器件够用原则不追求高性能尽可以减少品种和类型。第章传输线理论基本概念传输线基本特性:传输线特性阻抗传输线的时间延迟传输线的分类非平衡式传输线平衡式传输线常用传输线圆导线微带线带状线反射和匹配反射系数反射的计算:传输线的临界长度终端的匹配和端接串扰:串扰模型图如下负载效应直流负载和交流负载最小间隔集中负载分布负载径向负载负载驱动方式点对点串推ZTE中兴信号完整性基础知识星型扇型传输线损耗和信号质量集肤效应邻近效应辐射损耗介质损耗第章直流电源分布系统设计基本概念电源分布系统平面平面(Plane)为电流回路提供最低阻抗回路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为数字逻辑电路工作提供电源一般设计规则多层板的叠层结构叠层结构的设计主要考虑以下因素在高速数字设计中的一般规则是电流回路基本概念环路面积参考平面的开槽连接器的隔离盘去耦电容极其应用去耦电容低频大容量去耦电容(BULK)高频去耦电容多层片式陶瓷电容的材料选择表面贴装电容的布局和布线多层印制板中的平面电容埋入式电容噪声抑制系统电源变化系统电源的电位差系统逻辑地的电位差地电平抖动ZTE中兴信号完整性基础知识第章高速数字系统设计的信号完整性分析导论基本概念高速数字设计(HighSpeedDigitalDesign)强调被动元件的特性及其对电路性能的影响包括导线、印制电路板以及集成电路封装等等高速数字设计研究被动元件如何影响信号传输(振铃和反射)信号之间的相互作用(串扰)信号完整性(SignalIntegrity以下简称SI)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信号完整性是保证系统稳定的基础分析讨论系统信号完整性是非常必要的。理想的数字信号波形无论是哪一种数字集成电路理想的数字信号是指器件厂家提供的输出高电平(VOH)、低电平(VOL)、上升沿(tr)和下降沿(tf)等参数所描述的信号波形。理想的TTL数字信号波形下图所示为理想的TTL(含LVTTL)数字信号波形VVOHVTVOLtVOHmin=VVOLmax=VVT=VmV(参考电平)理想的CMOS数字信号波形下图所示为理想的CMOS数字信号波形VVOHVTVOLtVOHmin=VVOLmax=VVT=V(V时)ZTE中兴信号完整性基础知识VOHmin=VVOLmax=VVT=V(V时)理想的ECL数字信号波形下图所示为理想的ECL数字信号波形tVOHVBBVOLvVOHmin=VVOLmax=VVBB=VmV(参考电平)IC在系统应用中不可能达到理想的程度由于受到多种因素的影响信号波形会产生各种变化但是这些变化的程度必须严格加以限制使之达到可以接受的程度。主要有哪些方面的设计上的问题会造成影响或者变化又有多大的变化它们之间有什么关系等都是值得讨论分析的。数字信号的畸变(或信号不完整)本节只讨论TTL信号发生的畸变是因为从目前使用的情况来看CMOS电路的输入、输出等外部接口电路已和TTL兼容而ECL电路用得很少这里不加以讨论。还有一些其他数字电路如LVDS、GTL、NMOS、PMOS等本节也不加以讨论地线电阻的电压降的影响地电平(电平)直流引起的低电平提高见下图图中虚线为提高的情况。提高幅度与IC的功耗大小、IC密度、馈电方式、Vt地线电阻(R)、馈电的地线总电流有关。ΔV地=ΔI×ΔR信号线电阻的电压降的影响a)IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一IC的输入脚输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个低电平的抬高其值为ΔVOL=IOL×R。见图中的上面一条虚线。ZTE中兴信号完整性基础知识,端接方式决定因素,端接电平V,端接电阻大小,线宽,线厚,线长t,线截面积显而易见低电平的抬高与印制导线电阻值及输出低电平电流有关如下图所示:VOLRABIOLB点的低电平比A点的低电平高注意:当IC输出脚为低电平时如果此器件不是驱动器而是一般器件则由于输出低电平电流太大远大于器件手册给出的值输出三极管将退出饱和区进入工作区使输出低电平抬高很多。如下图中上面一条虚线所示:Vt决定因素:端接方式端接电阻大小输出管饱和深度输出管β值b)IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一个IC的输入脚输出高电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个高电平的降低其值为ΔV=I×R见下图中高电平上的下OHOH面虚线:ZTE中兴信号完整性基础知识V,IOH由下列因素决定:端接方式、端接电平、端接电阻大小R由下列因素决定:线宽、线厚、线长显而易见高电平的降低与印制导线或电缆电阻值及输出高电平电流有关如下图所示:VIOHRVOHABB点的高电平比A点的高电平要低注意:IC输出脚为高电平时如果此器件不是驱动器而是一般器件则由于输出高电平电流太大远大于器件手册给出的值时输出管也会退出饱和区进入工作区使输出高电平降低很多。如下图中下面一条虚线所示:决定因素V,端接方式,端接电阻大小,输出管的饱和深度t,输出管的,值电源线电阻的电压降的影响IC的电源电压(如V)如果系统中存在差值当小于V时输出高电平将产VtZTE中兴信号完整性基础知识生一个下降值如上图中高电平上的虚线所示:由于系统电源有集中电源和分散的电源模块之分此差值不同由于IC功耗的大小、IC密度、馈电方式、电源线的馈电电阻值以及电源电流值引起一个ΔVCC(ΔVCC=ΔI×ΔR)以上原因使TTL信号波形变得离理想波形很远了。低电平大为提高了高电平也大为降低了。对这些值若不严加控制对系统工作的稳定可靠工作是不利的。此外结温差即不同功耗的器件的PN结的温度不同还会影响高低电平及门槛电平的变化也会影响系统工作。除上面所说的直流成分之外更为重要的是系统是以极高频率在工作也就是说系统内的器件、导线有各种频率的各种转换速率的信号在动作、传递。首先是相互之间的信号电磁藕合(串扰)和信号在不同特性阻抗传输路径上的反射以及电源地电平由于IC高频转换引起电流尖峰电平使TTL信号波形变得更坏。转换噪声由于系统工作时器件以高频转换造成供电系统上有高频率变化的电流尖峰而供电的电源线路和地线路都可看成是很小的电阻、电感、电容元件。电流尖峰值太大在它们上面会产生较大的交流尖峰电压其电源上的尖峰电压基本上会串扰到高电平上而地电平上的尖峰电压会串扰到低电平上如下图所示:IC内部同样存在这种尖峰电压。决定因素V,IC集成度,IC同时同相翻转器的个数,IC密度,地电源线结构层数,,滤波电容的性能密度串扰噪声由于系统组装越来越密印制导线之间的距离越来越近邻近导线上有高速转换的电平信号。如正跳变信号跳变的时间tr和负跳变的时间tf都很小使得导线上已有信号上叠加一个较大的电磁藕合信号(串扰信号)。如下图中较大的尖峰信号。这些信号还包括插头座上的信号针之间的串扰信号以及电缆中信号之间的串扰。ZTE中兴信号完整性基础知识V,决定因素:tr与tf值、线宽、线间距、(基材)介质的厚度、介质的介电常数、平行线长、重叠线长、插头座信号针地针比、电缆信号线地线比。反射噪声如果IC之间的互连线比较长(复杂系统往往是这样)线的特性阻抗又不均匀或者终端没有匹配会引起反射如果始端也不匹配则会来回反射而造成振铃。如下图所示:VVtt决定因素:特性阻抗、匹配方式、失配大小终端反射系数、始端反射系数、线长边沿畸变如果信号频率升高到一定程度也就是器件工作频率达到一定的高度极限而且印制导线又较长或者负载电容较大时trtw上升时间等于或大于脉冲宽度信号畸变到没有高低电平平顶或者远离平顶。如下图所示(实线):举例“仿真或示波器实测”均可验证。ZTE中兴信号完整性基础知识VVtt决定因素:线宽、线长、基材介质厚度、介质介电常数、负载数、工作频率(脉宽)、tr数字信号的变化。讨论了上面七条可见其畸变不容忽视。如果任其自流不严加限制造出来的系统不可能稳定、可靠的工作。研究的目的在中、大规模电子系统的设计中系统地运用信号完整性技术可以带来许多益处降低产品成本(略)缩短研发周期降低开发成本(略)提高产品性能(略)提高产品可靠性数字电路在具有逻辑功能的同时也具有丰富的模拟特性。数字电路本身具有一定的抗干扰能力设计工程师可以估计或精确测定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控制总噪声不超过电路的抗干扰能力以最小的综合成本达到最高的整体性能。ZTE中兴信号完整性基础知识研究领域各种电路工作原理(略)各种电路噪声容限(略)各种电路在系统中的噪声(略)系统各部件的频率特性(略)信号传输(略)信号延迟(略)PCB结构设计(略)电源分配设计(略)地、电源滤波(略)热设计(略)研究手段物理实验验证(略)数学模型计算(略)软件模拟分析(略)经验规则估计通常需要综合运用上述四种方法。ZTE中兴信号完整性基础知识第章数字电路工作原理数字电路分类GaAs(砷化钾)速度快,但功耗大,制作原料剧毒,未成熟使用硅:使用极为广泛处于不断发展中单极型:一个元件的电极上只有一种扩散类型或者说只有一种半导体类型(N或P)PMOS:P型金属物半导体vpp硼扩散NvcbaVf地f,a,b,cZTE中兴信号完整性基础知识NMOS:N型金属氧化物半导体VVVNN磷扩散地PVfcbaf,abcCMOS互补型金属氧化物半导体PMOSNMOS工作在直流为(只有漏电流μA左右),所以功耗只有原来几千分之一速度快、结构简单适合大规模集成(功耗因素、尺寸因素、工艺因素)双极型:一个元件的电极上有两种扩散类型或者说有两种半导体类型(N或P)TTL:速度快、功耗低但输出管工作在饱和区存储时间较长。(STTL、LSTTL、ALSTTL、ASTTL、FTTL、LVTTL)以上为不断改进的器件类型。ECL高速度、高功耗、电流藕合型电压摆幅小。、ECL、ECL、ECL、ECL、ECL)改进型。(ECLKKHEEZTE中兴信号完整性基础知识基本结构和特点TTLVCCVabVc地V,a,b,c结构如图示速度快、功耗低于ECL。工作电平:V=VV=VOHMINOLMAXV=VV=VV=VIHMINILMAXTCMOS速度接近于TTL功耗小单元尺寸小适合于大规模集成VIV工作电平:V=VV=VOhminOLMAXV=VV=VV=VIHMINILMAXTLVDS:低电压数字系统ZTE中兴信号完整性基础知识mVANMOSmABmVA,B功耗小(驱动器功耗mW)摆幅小(mV)速度快不慢于ECL由于恒流源特性抗干扰能力特别强差动传输可减少传输线数量压缩()对ECL(PECL)电路结构如下图:VccfcVBBbaVEEf,abcf,abcZTE中兴信号完整性基础知识=VV=VVOHminOLmaxV=VV=VV=VIHminILmaxBBPECL(伪ECL)V抬高到VV抬高到正电压达到与TTL共电源工作。此时各EECCCC工作电平同时抬高一个V值如V=VVCCOHMINCC电路特性转换特性转换特性是指输出电平随输入电平变化的特性曲线。TTL电路的转换特性VIvVIVVTvVV(V)VTTL电路的转换特性曲线如上图两条虚线之间的区域为器件的工作区。从曲线可看出其最坏情况就是边界点即V时为vV时为vV时为vV时为v这四OHOLIHIL个值非常重要因为输出的边界值与输入的边界值之差(同极性时)为安全区即直流抗干扰能力(NM)CMOS的转换特性:曲线如下图:VVVVI(v)两条曲线之间的区域为器件工作区分析它的方法同上面的TTL。可以看出它与TTL的曲线差别很大所以在与TTL互连时应加以考虑目前随着工艺的不断改进使CMOS的工作区接近TTL或者器件外围电路直接用TTL的电路达到完全互连兼容。ZTE中兴信号完整性基础知识LVDS的转换特性略ECL的转换特性:曲线如下图:,,,,,VI(v),,VV,V,,V(v)V及V的两条虚线之间区域为ECL的工作区V的最坏边界与V的最坏边界之差为OOO直流电平抗干扰能力(NM)VI特性:电压与电流之间的关系特性曲线输入VI特性输入电压与输入电流之间的特性曲线TTL电路的VI输入特性I(mA)VccIRVVI(v)VVVV上图为TTL的VI输入特性电流最大值为(Vccv)R电流最小值为漏电流(μA左右)ZTE中兴信号完整性基础知识CMOS电路的VI输入特性:I(mA)VVVI(v)输入电压从低到高变化情况下输入电流都上图为CMOS电路的VI输入特性V为(漏电流)LVDS电路的VI输入特性同CMOSECL电路的输入VI特性如下图示:IbVICI(mA)IRV(V)V大于V小于V时I=II、I=IβI=VRbRb=CRV小于V时I=IV大于v时I为饱和电流此时V抬高时输入电流RBI急骤增加。输出VI特性:器件的输出电压与输出电流之间的关系曲线OZTE中兴信号完整性基础知识I特性如图示:TTL输出VOI(mA)IV(v)V此曲线为输出推长线且并联匹配时的VI特性曲线其值可由端接电阻值计算出输出电O流I。CMOS输出VI特性O见下图图中不端接时的VI特性OI(mA)(v)V如果端接时VI特性如下图:OI(mA)(V)VLVDS输出VI特性O略I(mA)ECL输出VI特性如下图:OVOIV(V)ZTE中兴信号完整性基础知识=VRR为并联端接电阻值。输出电流IOO热特性及寿命TTL电路的热特性见下面曲线不同结温的器件互连低电平造成mV的噪声高电平造成mV的噪声VOHmV:CV(V)VT,mV:CVOL,mV:C(:C)TCMOS热特性略LVDS热特性略ECL热特性曲线如图不同结温的器件互连高低电平造成约mV的噪声温升会对寿命加速分析略TmV:CVOHVBBmV:CVOLmV:C(V)VZTE中兴信号完整性基础知识直流噪声容限NMDC高电平直流噪声容限NHMDCTTL高电平直流噪声容限NHMDCN=VV=VV=v=mVHMDCOHMINIHMINCMOS高电平直流噪声容限NHMDCN=VV=VV=V=mVHMDCOHMINIHMINLVDS高电平直流噪声容限略ECL高电平直流噪声容限NHMDCNVV=V(V)=V=mVHMDC=OHMINIHMIN低电平直流噪声容限NLMDCTTL低电平直流噪声容限NLMDCN=VV=vv=v=mVLMDCILMAXOLMAXCMOS低电平直流噪声容限NLMDCN=VV=vv=v=mVLMDCILMAXOLMAXLVDS低电平直流噪声容限NLMDC略ECL低电平直流噪声容限NLMDCN=VV=v(v)=v=mVLMDCILMAXOLMAX交流噪声容限NMAC高电平交流噪声容限NHMACTTL高电平交流噪声容限NHMACN=V(VmV)=vv=v=mVHMACIHMINT其中mV为V离散mV以下同。TCMOS高电平交流噪声容限NHMACN=V(VmV)=V(VmV)=V=mVHMACIHMINTLVDS高电平交流噪声容限NHMAC略ECL高电平交流噪声容限NHMACN=V(VmV)=V(V)=V=mVHMACIHMINBBZTE中兴信号完整性基础知识低电平交流噪声容限NLMACTTL低电平交流噪声容限NLMAC=V–mVV=VVV=V=mVNMACTILMAXCMOS低电平交流噪声容限NLMACN=V–mVV=VmVV=V=mVLMACTILMAXLVDS低电平交流噪声容限略ECL低电平交流噪声容限NLMACN=VmVV=VV(V)=V=mVLMACBBILMAX电路互连工作电压:器件工作时施加于器件电源脚上的电压TTL工作电压V地V地CMOS工作电压V地V地V地V地LVDS工作电压V地ECL工作电压地V地VV地(PECL)V地(PECL)逻辑电平范围逻辑电平范围指逻辑“”电平范围和逻辑“”电平的范围。TTL逻辑电平范围逻辑“”电平:VV逻辑“”电平:VVCMOS逻辑电平范围逻辑“”电平:VVVV逻辑“”电平:VVVVECL逻辑电平范围:逻辑“”电平:VV逻辑“”电平:VV噪声(N)本节只讨论TTL电路ZTE中兴信号完整性基础知识直流噪声NDC高电平直流噪声NHDC电源电压差引起的高电平直流噪声(电源模块分散供电时)呈现在高电平上占用高电平直流噪容限。电源馈电在器件电源脚上的差呈现在高电平上占用高电平直流噪声容限。器件推长线时如果采用并联端接(匹配)印制导线电阻上的压降使高电平降低占用直流噪声容限压同上由于并联端接有较大高电平输出电流使输出管退出饱和进入工作区使VCE降增大而降低V降低值也占用直流噪声容限OH以上四项之和不可超过mV也就是高电平直流噪声不可大于高电平直流噪声容限。低电平直流噪声MLDC电源馈电流经地线(或面)电流因存在地线电阻引起器件地脚上存在电位差ΔV地呈现在低电平上占用低电平直流噪声容限。器件推长线时如果采用并联端接(匹配)印制导线电阻上的压降使低电平抬高占用低电平直流噪声容限。同上由于并联匹配输出低电平电流较大使输出管退出饱和进入工作区使VCE压降增大而抬高输出低电平V抬高值也占用低电平直流噪声容限。OL以上三项之和不可大于mV也就是说低电平直流噪声不可大于低电平直流噪声容限。交流噪声NAC高电平交流噪声NHAC电源线上的电流尖峰引起电压尖峰噪声此噪声基本藕合到输出高电平上。由于长线转输信号时不匹配或者失配进正跳变信号会有过冲和反冲(反射引起)信号其反冲构成高电平时的交流噪声。输出高电平上由于邻近的平行线或者重叠线上有dvdtdIdt通过分布电容和电感串扰到此高电平上产生高电平上的串扰噪声。串扰噪声还会在插头座和电缆上的相邻信号针或线之间产生。以上三项其值都不小但它们是随机产生不易发生在同一时刻因此不是相加的关系。低电平交流噪声NLAC逻辑地线上的电流尖峰引起器件地脚上的电压尖峰藕合到输出低电平上。长线传输信号时不匹配或者失配时负跳变信号会有过冲和反冲其反冲构成低电平的交流噪声。输出低电平上由于邻近的平行线或重叠线或者插头座上邻近的针或者电缆线上邻近的线ZTE中兴信号完整性基础知识上有跳变信号dvdtdIdA通过分布电容和电感串扰到此低电平上产生低电平的串扰噪声。以上三项也不是相加的关系。电路选型基本原则采用标准器件够用原则不追求高性能尽可以减少品种和类型。ZTE中兴信号完整性基础知识第章传输线理论基本概念对于数字信号而言传输线理论讨论的问题是高速谐波信号在传输导线之上的传输问题。谐波信号分为电压谐波和电流谐波谐波信号有一个频率(f)还有一个传输的速度问题频率与速度反应一个波长问题而速度又有一个延迟时间问题它们之间的关系是讨论的重点。由于传输受阻由阻抗引起的反射也是讨论的重点。数字信号的平顶部份我们认为是频率为不加讨论信号的正跳变t和负跳变t(为便于讨论假定t=t)把它们之rfrf和看作谐波的周期。频率f=T=(tt)=(t)=trfrr所以我们把t看作是数字信号的模拟频率又称一次谐波频率这个参数在数字电路r讨论中经常要使用。数字信号的谐波信号在一般传输线中的传输约为每米nS左右其速度:mv=m(*s)=*s(左右)它比波在空气中的传输速度要慢得多。下图为传输线的模型:导体AILVIIV导体BII电流L线长E电场强度H磁场强度Φ磁通量根据库仑定律:E=Q(πεr)V=E•drE电场(伏特米)Q电荷(库仑)ε介电常数r距离(米)半径(离源)导体中电流将产生磁场表示为:ZTE中兴信号完整性基础知识,,HdrI,,,,Idr或,dB,rΦ=Bdrr半径(米)I电流(安培)B磁通密度(韦伯米)H磁场强度(安培米)μ导磁率Φ磁通量(韦伯)根据法拉弟定律:V=ddΦtV=L(dd)it由于V实际上是时间的函数I也是时间的函数使得E、H、B、Φ均为时间的函数所以产生的感应电压V也是时间的函数。传输线模型中实际存在四要素:一个串联电阻一个串联电感一个并联电容C=QV一个并联电导导体间的介质损耗。一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如下:lRlLlRlLlRlLlClG或或lGlClClG传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成如下图lLlLlRlLlRlRiinlGVinlClGlG无限延长lClClll传输线基本特性:传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟。ZTE中兴信号完整性基础知识传输线特性阻抗从上面讨论中传输线的等效电路可知每一小段线的阻抗都是相等的。传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。lRlLZSlGlCZP串联阻抗Z=(RjwL)Sl并联阻抗:Z,,Pl(Gjwc)YP传输线可等效为:ZZZZsZsZsa无限延伸ZNZpZpZpaZZ=Z=Z=Z=ZN电路简化为ZSZpZVVZnlZTE中兴信号完整性基础知识ZZPZ,Z,ZNSZZPZZZZSSSP:Z,即l(RjwL)RjwL,l(RjwL)Gjwc的平方项可忽略。图为是微分段极小项和lllRjwLRjwL?Z,,,ZPZSGjwcGjwcYPPr,lnZS,ln(YZ)SZSAA?ln(A),A,,?,同时YZPS?r,YZP,Sl(Rjwl)(Gjwc)当频率足够高时(fKHZ)ω=πf其值很大ωL、ωc很大R、G可忽略L为单位长度线的固有电感C为单位长度线的固有电容此时LZ,C当频率很低时(fKHZ)W=πf很小可以忽略RZ,GZ是传输线的特性阻抗。特性阻抗随频率的变化曲线如下图:Z(,)kf(Hz)ZTE中兴信号完整性基础知识Z描述了传输线的特性阻抗但是是无损耗条件下来描述的。包括电阻上热损耗和介质损耗都被忽略了的也就是直流电压变化和漏电引起的电压波形畸变都未考虑在内。实际应用中必须具体分析。传输线的时间延迟一个传输线的微分线段(l)的等效电路已知如下INZSZpZvvlZZPVV,,ZZPZZPZSZZP()VZZZZZSPP()或,VZZPZS,()ZPZ设单位长度常量γ=αjβrv=vα这里v是从v到v的信号衰减βjv是从v到v的相位变化。Veln(),ln,j,r(,j,)V,,,lnZs()pzzl(Gjwc)S?r,ln{Zl(Gjwc)}SZZTE中兴信号完整性基础知识省略式中更小的项有:YPPr,lnZS,ln(YZ)SZSAA?ln(A),A,,?,同时YZPS?r,YZP,Sl(Rjwl)(Gjwc)即信号在传输线中的传输速度,v,,,LC单元线长的传输延迟tpd,,LCv可见传输线上串联电感越大并联电容越大信号的传输速度越低即传延迟时间越长。传输线的分类传输线可分为非平衡式传输线和平衡式传输线而非平衡式应用最多。非平衡式传输线下图为典型的非平衡式传输线电路。RTVZRi信号跃变时电流回路中的电流也是变化的它将产生地线回路的电压降构成地线回路噪声。它也成为系统中其他非平衡式传输线接收器的噪声源从而降低系统噪声容限。平衡式传输线下图为典型的平衡式传输线电路。ZTE中兴信号完整性基础知识ZAVRTZCiZB为A、B线对地的特性阻抗Z为A线与B线之间的特性阻抗。ZCshshZ=Z(e)带状差分Z=Z(e)微带差分。CC对于微带线h指微带线到参考层距离对于带状线h指两参考层之间距离。S在两种情况下均指两差分线之间的距离。线A、B上传输的信号电压、电流值相等但相位相反。要点是Z均匀。C与非平衡式相比只产生极小的地线回路噪声。CARTB如上图平衡式传输线不会对其他线路产生噪声同时也不易受系统其他线路产生的噪声C线上的信号A线上产生的噪声B线上产生的噪声ZTE中兴差分信号A,B信号完整性基础知识的干扰。A和B的差分信号也不会在C线上产生噪声。常用传输线圆导线dhhZ,ln()d,rDDZ,ln()d,rd同轴电缆注:圆导线的第一种情况h指导线到参考层的距离d是导线的外径ε是介质的介电r常数第二种情况同轴电缆D指外导体的外径d指内导体的内径ε是介质的介电常r数第三种情况带状电缆D指信号线与地线两中心点的间距d指信号缆内导线的外径。DDZ,ln()d,r带状电缆d地地ZTE中兴信号完整性基础知识微带线一般微带线whtZ,ln()wt),rhtpd,,rnsm地埋入式微带线hwZ,ln,wt'rh'th',hh,,',,errtpd,,'r地带状线对称式带状线h(ht)wz,lnwt,rttpd,,rh注:中间信号到带上下层为参考层。非对称式带状线h(ht)hwZln*,twt(htc),rctpd,,rwthZTE中兴信号完整性基础知识反射和匹配反射系数信号传输到终端时其能量应保持不变即到达终端的能量等于负载吸收的能量没有被负载吸收的能量到达终端的能量P=iV=VZXXXX负载吸收的能量P=iV=VRLLLLL没有被负载吸收的能量(反射能量)P=iV=VERRRRi=iiLxrV=i*R=VVLLLXRiXilisZVsRLVVRVlVxl,xZTE中兴信号完整性基础知识VXi?,xZVRi,RZVVVVXRXRi?,,LZZZVVVVXRXR,RZLV()V(),,,XRZRZRLLRZ,LRZ,LRZ,LVVV?,,,,RXXRZLRZLRZ,LVRZ,RL,,?,,,VLLVRZXL同样可得RZ,S,S,RZS其中ρ是源端的反射系数ρ是负载端的反射系数。SL反射的计算:当R=Z时ρ=LSVsisZVVZRsZRs,t,tZTE中兴信号完整性基础知识ViLZVLVZRsZRs,t,tZ假定R=Z且R=Z则当RLLsZVV,V,SZRS,,L而,,,sVV,,V,,V,,,(t,)RLXVVV,VL,VxVR,,(t,)VVV进而Vs,VsVR,sVR,,(t,,)VsisVVZVVZ,,,t,,,tiLVlVVZ,,,t,,,tZTE中兴信号完整性基础知识Z假定R=Z且R=Z则当RLLSZVV,V,,SZRS,,而,,LSV,V,(t,)RVVV,VL,VXVR,,(t,)VVV进而VS,VSVR,SVR,,(t,,)VsisVVZZVVZZ,,,t,,,tVLiLVVZ,,,t,,,tZTE中兴信号完整性基础知识〉Z始端反射同样可计算。如果要消除始端反射那么在线的始端串一电实际中RS阻R’使RR’=Z则ρs=ρ=SSSLVsVLVVVτττtτττtρs、ρ取不同值线上各点波形都可计算出来。L传输线的临界长度信号从始端传输到终端反射再返回到始端即t时间等于信号上升边时间。pdt=t所以t=trpdpdr此情况下的线长定义为传输线的临界长度。:设临界线长为l则lv=t=tv传输速度(nSm)pdrl=tvr当t=nS则:L=nS(*nSm)=m=cmr实际的物理意义是:线长大于cm时为长线也就是反射在平顶上线长小于cm时可视为短线反射在跃变位置上对波形影响不大。终端的匹配和端接终端电阻并联匹配ZTE中兴信号完整性基础知识RZ(TTL)RRR,ZZ(ECL)RTRT,Z终端阻容式并联匹配Z降低传输速度CTRTRX=ZC选择:T,tTCTTRCpd始端串联匹配RsRZRRS,Z功耗低但只有终端波形正常始端和中间只有V不可带负载二极管钳位ZTE中兴信号完整性基础知识VccZ反射消除不彻底注:节、节、节还可参见信号完整性小组的《TTLCMOS通用设计规范》串扰:串扰模型图如下iciLic,iLABiLRTcLii为反向串扰VTic,iL为正向串扰CmRTLmDCX设CD上有信号AB静止。各点波形VC点波形驱动信号VD点波形驱动信号tpdKB,VtpdtrA点波形反向串扰B点波形正向串扰trV,,Kfltrtrt,ZTE中兴信号完整性基础知识LmKf,,(,CmZ)ZLmKb,(CmZ)tpdZ单位线长的互感LmC单位线长间电容mZ特性阻抗l线长t线的传输延迟pd平行线和重叠带串抗都一样只是L、C不同平行线L大些重叠线C大些。mmmm从表达式可知正向串抗的宽度为t。幅度与L、V成正比与t成反比。反向串抗的宽度rr为(tt)幅度与V成正比L、C越大幅度也越大。rpdmm负载效应直流负载和交流负载直流负载指驱动器推传输线后端接电阻及接受门所需的直流电流值这个值必需考虑是否超过驱动器的直流负载能力。交流负载指驱动器所推的线及接受门的电容值电容增大t、t也增大系统中主要受rpd限于交流负载。最小间隔ABA、B两点的最小间隔是为了A、B两点的容性反射波即将互相影响而又不互相影响时的线长(L)目的是不使反射波叠加。MINL=trtpd可见负载应尽量分散MINZTE中兴信号完整性基础知识集中负载传输线上负载相对集中单负载或负载组之间的距离,L反射互不影响Z也不变化MIN分支线长度小于传输线临界长度集中负载应尽量放置靠近终端。分布负载负载间隔,L反射波叠加使tpd增大Z减小引起失配MIN径向负载BAC分支线长,传输线临界长度Z’=ZNN分支数系统设计中应严格限制使用负载驱动方式点对点或集中负载如上图中的方法是最好的方法高速信号或时钟信号应采此方法串推分支线长较短ZTE中兴信号完整性基础知识星型严格限制使用(三分支均长)扇型短限制使用传输线损耗和信号质量集肤效应直流电流流过导体时截面积上的电流密度是均匀的但高频交变电流流过导体时电流密度越靠近表面越大设集肤效应的表面深度为D。D,KfK,,,,μ导磁率σ导电率f频率因为集肤效应减小了导体传输电流的有效截面积所以提高频率将增加导线等效电阻而增加信号损耗。邻近效应两个邻近导体中的电流的相互吸引(或排斥)将导致电流密度的重新分布使电流传输的ZTE中兴信号完整性基础知识有效截面积减小增加了导线电阻而增加信号损耗邻近效应与导体的几何形状、导体间距和频率有关。辐射损耗频率提高后前面两种电阻的增大可看成是热的辐射损耗此外还存在电磁辐射、交变电场和交变磁场向外辐射能量而使信号损耗。同轴电缆中的幅射损耗小是因为芯电流磁场与屏蔽层电流磁场相互抵销了辐射损耗与外部介质的μ、ε密切相关。r介质损耗介质中流过高频漏电流将使信号受到损耗tr将增大tpd增大一般分析传输线时都是建立在无损耗条件下的当频率变到一定值时有损耗传输问题应认真考虑。ZTE中兴信号完整性基础知识第章直流电源分布系统设计基本概念电源分布系统PowerDistributionSystem(PDS)平面当电源、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阻抗电源电压允许电压波动的比率(百分数),,ZPDS需要的电流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I公共通路阻抗VNZTE中兴信号完整性基础知识为数字逻辑电路工作提供电源公共通路阻抗将产生电源和地电位差X=ESR,f×ESLPSWESR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。电源分布系统寄生电感a)两条平行的电源和地圆导线HDHL,Xln()nHPDSD,电源分布线长度inH电源分布线平均间距inD电源分布线直径inb)多层平行堆叠的扁平带状的电源和地线XHnHL,PDSW(N,)WHN=ZTE中兴信号完整性基础知识,电源分布线长度inH电源分布线平均间距inW电源分布线宽度inN电源和地层数一般设计规则,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耦合到其他线路。,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。多层板的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PDSZTE中兴信号完整性基础知识,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。多层板的叠层实例表面层Amm电源层mm信号层(X方向)mm信号层(Y方向)mm地层mm电源层mm信号层(X方向)mm信号层(Y方向)mm地层mm表面层B表面层Amm电源层mm(可调整)信号层(X方向)ZTE中兴mm信号完整性基础知识填充材料基材电流回路基本概念所有电流必须有流回源的回路。该回路的产生会自动寻找最小阻抗的路径。通常在具有电源地层平面的PCB结构中会直接在信号线下方的平面上(电源或地)。该回流信号(电流)与原信号(电流)幅度相同、方向相反。Ii(D),,H(DH)I信号总电流AH信号线到参考平面的距离mD观测点到信号线中心的垂直距离mi(D)观测点的回流电流密度Ain环路面积信号和回流信号通路构成了一个闭合回路。随着环路面积的增大将产生更多的差模辐射噪声且更易于受外界干扰的影响。ZTE中兴信号完整性基础知识AIf()LE,μVmRA环路面积cmI环路电流ALf频率MHzR观测点到电场中心的距离m参考平面的开槽不适当的参考平面的开槽将增加信号的环路面积。参考平面的开槽DWnH连接器的隔离盘连接器在参考平面上不适当的隔离盘将增加信号的环路面积。信号环路面积增加将产生额外的感抗减慢信号边沿速率并在临近信号线上产生互感串扰。如上图所示:DL,Dln()nHZTE中兴W信号完整性基础知识LT,,LRZTr,(T)(T),LR,(长线)(短线)T,LCr,VLV,crosstalk(长线)TZr(短线),VCLV,crosstalk(T)r去耦电容极其应用去耦电容去耦作用消除高频开关电路产生的RF能量为电路提供一个低阻抗本地直流源而完成去耦作用的前提是保证在电源分布系统具有较低的交流阻抗。ZTE中兴信号完整性基础知识低频大容量去耦电容(BULK)在所有的信号管脚开关同时处于最大的容性负载条件时提供稳定的直流电压、电流。通常选用大容量钽电容电压额定值一般为电路额定工作电压的倍放置位置a)时钟电路附近b)输入输出连接处c)大功耗电路附近d)远离电源馈入点的位置低频大容量电容的选择步骤a)计算电路的最大交变电流(I)b)给出电路所允许的最大电源电位差噪声(V)c)计算电路所允许的最大X=VIMAXd)给出电源、地分布线的寄生电感LPSWf)计算电源、地分布线的最高响应频率FPSWPSW,LPSWF,MAXXg)计算去耦所需要的最小电容值CbypassC,bypass,FXPSWMAXh)根据去耦电容的引脚电感L计算其最高响应频率FCbypassXMAXF,bypass,LCZTE中兴信号完整性基础知识低频大容量电容的选择实例某VCMOS电路板有个门分别驱动pF负载边沿时间为ns。电源分布线的电感为nH。,VV,I,NC,pF,A,tns,V,V,VX,,,MAX,IL,nHPSWXMAXF,,KHzPSW,LPSWC,,,Fbypass,FXPSWMAX设电容引脚电感L=nH则CXMAXF,,MHzbypass,LC高频去耦电容高频去耦电容为电路提供本地的低阻抗直流源LPDSDCCbypassCLZTE中兴信号完整性基础知识高频去耦电容的阻抗必须小于XPSW选择高频去耦电容的一般原则a)自谐振频率>需抑制的时钟谐波频率提供电路瞬态工作能量高频去耦电容的选择步骤计算系统在高频下正常工作所能允许的电感LtotXXTMAXMAXrL,,tot,,Fkneeb)给出电容的引脚电感LCLCc)计算并联电容的数目NN,Ltotd)计算并联电容值CParallelC,parallel,FXbypassMAXe)计算每一个电容的值CelementCparallelC,elementNZTE中兴信号完整性基础知识高频去耦电容的选择实例某VCMOS电路板有个门分别驱动pF负载边沿时间为ns。电源分布线的=nH。电感为nH。设电容引脚电感LCT,nsX,,F,MHzrMAXbypassXTMAXrLL,,nHCtotN,,,LtotC,,,FparallelFX,bypassMAXCparallelC,,,FelementN多层片式陶瓷电容的材料选择通常使用的材料有三种a)NPb)XRc)ZU其中XR是去耦应用的最佳选择介电常数介于NP和ZU之间相对于ZU具有较好的温度和电压系数相对于NP具有较高的ESR和较差的温度和电压系数相同的封装下电容值的范围比NP宽。表面贴装电容的布局和布线不同的布局产生的寄生电感的数值相差很大ZTE中兴信号完整性基础知识应采用较大的过孔电容焊盘到过孔的引线应尽可能短和宽多层印制板中的平面电容多层PCB中直接相邻(―背靠背‖)的电源和地平面构成了一个具有最小交流阻抗的平面电容。εrdA,rCPF,planedA平面重叠面积ind间隔距离inε绝缘介质的介电常数r例如:当采用FR材料(ε=)rd=in时C=pFinplane注:这里的pFin是指以一个平方英寸双层平面具有的电容C的单位是PF或Fplane等。平面电容具有最好的高频特性埋入式电容埋入式电容原理ZTE中兴信号完整性基础知识PowerADielectricdGroundxAxerC=d=ÔòC=nfinr埋入式电容设计ÈôeCompCORESignalPowerCapCOREGroundSignal高速数字设计中典型的PDSLayerCoreConstructionCOREWireZTE中兴信号完整性基础知识噪声抑制系统电源变化系统电源的电位差系统逻辑地的电位差地电平抖动地电平抖动(GROUNDBOUNCEGB)的起因PCB电源L芯片内部电源LIRLC芯片内部地LLPCB地GROUNDBOUNCE现象ZTE中兴信号完整性基础知识抑制GROUNDBOUNCE的一般方法:,采用较小的封装形式,采用适当的电源、地针数目和合理布局,减小输出电压摆幅,限制同时同相转换状态的输出单元数目,增加传输线的特性阻抗减少容性负载,在输出端串接阻尼电阻。ZTE中兴信号完整性基础知识附录:参考文献)Skilling,HH,ElectricTransmissionLines,NewYorkMcGrawHill,)KauppHRCharacteristicsofMicrostripTransmissionLines,IEEETransactionsonElectronicComputersVolEcNOApril,pp)Cohn,SBCharacteristicsImpedanceoftheShieldedStripTransmissionLine,TransactionsIREVolMTT,Julypp)DeFalco,JA,ReflectionsandCrosstalkinLogicCircuitInterconnections,IEEESpectrum,Julypp)Blood,Jr,WilliamRMECLSystemDesignHandbookthEdition,MotorolaInc,)BLHart,DigitalSignalTransmissionLineCircuitTechnology,VanNostrandReinhold,NewYork,)CharlesSWalker,Capacitance,InductanceandCrosstalkAnalysis,ArtechHouse,Norwood,Mass,)TCEdwards,FoundationsforMicrostripCircuitDesign,JohnWiley,NewYork,)HarlanHowe,StriplineCircuitDesign,ArtechHouse,Norwood,Mass,)SRSESHARI,FundamentalsofTransmissionLinesandElectromagneticFieldsAddisonWesley,Reading,Mass,)ClydeFCoombs,Jr,Ed,PrintedCircuitsHandbook,McGrawHill,NewYork,BernardSMatisoff,HandbookofElectronicsPackagingDesignandEngineering,nd)edition,VanNostrandReinhold,NewYork,)RaymondHClark,PrintedCircuitEngineering:OptimizingforManufacturabillity,VanNostrandReinhold,NewYork,)HenryWOtt,NoiseReductionTechniquesinElectronicSystems,JohnWiley,NewYork,)BernhardKeiser,PrinciplesofElectromagneticCompatibility,rdedition,ArtechHouse,Norwood,Mass,)ClaytonRPaul,IntroductiontoElectromagneticCompatibility,JohnWiley,NewYork,)FrederickETerman,RadioEngineersHandbook,McGrawHill,NewYork,)RobertAPease,TroubleshootingAnalogCircuit,ButterworthNeinemann,Stoneham,Mass,)DeHonAAndKnightT,AutomaticImpedanceControl,IEEEInternationalSolidStateCircuitsConferenceDigestofTechnicalPapers,IEEE,NewYork,Dworsky,L,ModernTransmissionLineTheoryandApplications,RobertEKrieger)PublishingCompany,Malabar,Florida,)Gabara,T,andThompson,D,GroundBounceControlinCMOSIntegratedCircuitry,,IEEEInternationalSolidStateCircuitsConferenceDigestofTechnicalPapers,IEEE,NewYork,)《PCILocalBusSpecificationProductionVersion》Revision)《CXTrafficStreamProcessorReferenceManual》Version)《MECLSystemDesignHandbook》FourthEditionWilliamRBlood,Jr)《LVDSOwner’sManual》ndEdition)《NoiseReductionTechniquesinElectronicSystems》HenryWOtt,JohnWiley,NewZTE中兴信号完整性基础知识York,)《PrinciplesofElectromagneticCompatibility》,BernhardKeiser,rdedition,ArtechHouse,Norwood,Mass,)《AutomaticImpedanceControl》DeHonA,AndKnightT,IEEEInternationalSolidStateCircuitsConferenceDigestofTechnicalPapers,IEEE,NewYork,)《GroundBounceControlinCMOSIntegratedCircuitry》,Gabara,T,AndThompson,D,,IEEEInternationalSolidStateCircuitsConferenceDigestofTechnicalPapers,IEEE,NewYork,ZTE中
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