信号完整性分析第一讲分析.ppt

0.1 高速的含义 现代数字电子系统正在突破1GHz的壁垒，芯片/PCB/系统的设计正在遭遇日益突出的信号完整性问题。 高于100MHz时钟的高频产品，被模糊地称作高速数字芯片和系统。严格讲：高频不一定高速；低频也不见得低速。 准确地说，当系统中数字信号的上升边小于1纳秒(ns)时，我们才称之为高速运行。此时互连不再透明，有可能对电路和系统造成颠覆性后果。 信号不完整，是互连不当遭遇高速才会出现的直接结果。 0.3 信号完整性分类 信号完整性讨论的主要对象是数字信号，人们谈的只有数字信号完整性，一般不说模拟信号的完整性。这是由于数字信号的非理想退化而呈现的一种模拟效应。主要内因是非常短的数字信号前后沿(简称前沿)包含大量丰富的高频成分。 　 按照通常的说法，目前信号完整性研究主要分为芯片和PCB两个着力点。二者原理上相通、技术上有别。 SI的分析和测量，有时域和频域两类视点和途径。 Eric研究信号完整性时，将互连对系统电气性能的影响从本质上归结为四类噪音问题：反射、串扰、电源噪声（SSN引起轨道塌陷）、EMI。需要创建各种互连线模型来分析其对系统带来的干扰和噪声。 反射（reflection）是指传输线上有回波（echo）。信号功率（电压和电流）的一部分经传输线上传输到负载端，但有一部分被反射回来形成振铃（ringing）。 过冲（overshoot）：第一个峰值或谷值超过设定电压； 下冲（undershoot）：紧邻的下一个谷值或峰值超过设定电压； 振铃（ringing）：反复出现过冲和下冲。 SI仿真用软件 SPICE（侧重IC的仿真程序） Mentor公司：Hyperlynx Candence公司：SigXP（SigXplorer） Agilent公司：ADS Ansoft: HFSS（高频结构仿真器）、SI2D 0.5 信号完整性测量技术 测量高速互连的三种主要仪器 阻抗分析仪； 矢量网络分析仪(VNA)； 时域反射仪(TDR)。  阻抗分析仪：频域, 正弦电流源+电压表(直接测)； 矢量网络分析仪(VNA)：频域, 电压源＋电压表(间接测)； 时域反射仪(TDR)：时域, 信号源＋示波器(间接测)。 图0-11 同一个信号线其返回路径变更的示例： 信号线从1穿过电源2、地平面3到达4。返回电流经由电源、地平面间的容性耦合，从第3层跳到第2层。 高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析 (之1-2[0]：高速互连与信号完整性的关系) Interconnect 设计 SI 分析 ●物理互连(Interconnect)包括：芯片内、外连接；PCB内、外连接等。 ●信号完整性(SI，Signal Integrity) ，是指信号电压(电流)波形的完好程度。 ●高速条件下的不当互连设计破坏了信号完整性。 正是信号完整性引出了发生在我们身边的深刻变化。面对下列事实，需要想一想： ●为什么计算机配置中用USB2.0接口取代了打印机并口？ ●为什么新的FPGA芯片中增加了RSDS(降低摆幅差分信令)、LVDS(低压差分信令)模块及接口设计？ ●什么样的接口更适合严酷的实时图像信号采集与传输？ 是USB还是IEEE1394？是1394a还是b? ●高速系统设计的瓶颈是什么？是否需要检讨我国过去对信号完整性的研究和应用的现状？ SI对国内是既生疏又熟悉。原先对付干扰、噪声的“三大法宝”是：接地、滤波、屏蔽，显得非常感性和粗放，已经严重落后。现在对SI量化和细化的研究逐渐呈现出浓厚的热情，已经有了一定的基础。 电子设计师需要普及SI知识，了解高速电路互连的SI机理，掌握SI分析与互连设计。 近期翻译出版四本译著：《信号完整性分析》、《数字信号完整性》、《抖动、噪声与信号完整性》、《芯片及系统中的电源完整性建模与设计》 0.0 信号完整性含义 英文中的人格完整性（personalintegrity）,指正直、忠诚、完美。中文没有，但可以对“完整”这一词义加以类比。其他还有电源完整性、数据完整性、电磁完整性。热完整性等。 信号完整性（SI），是指信号电压（电流）完美的波形形状及质量。由于物理互连造成的干扰和噪音，使得连线上信号的波形外观变差，出现了非正常形状的变形，称为信号完整性被破坏。信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结果。 信号完整性强调信号在电路中产生正确响应的能力。 广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源互连线引起的所有电压、电流不正常现象，包括：噪声、干扰、时序抖动、数据传输等。 狭义的信号完整性，是指信号电压(电流)波形的形状