PCB设计信号完整性培训-第1章(共4章)讲解.ppt

中国科大 快电子学 安琪 高速数字系统设计中的信号完整性 安 琪 中国科学技术大学 快电子学实验室 2005年4月8日 第一讲 一. 几个基本概念 信号完整性（Signal Integrity） 一. 数字信号 2. 实际的数字信号 参数定义： 噪声容限：（Noise Margin） 二. 信号完整性 时序的完整性 时序偏差 两类时序偏差 时序抖动 时间容限（Timing Margin） 影响信号完整性的主要因素 要点 膝频率（fKnee）与 上升时间（tr ） ? 考虑两个极端情况： 到底多高的频率 会影响到高速数字 电路的设计呢 膝频率（FKnee） 频谱分析 膝频率与上升时间 集总系统与分布系统 一. 信号传输的四种电性等效模型 1. 全波模型 2.分布系统 3.集总系统 四种电性等效系统 二. 集总系统与分布系统 电子学等效长度 判定依据: 要点 传输线与阻抗匹配 传输线的物理模型 传输线的电报方程 理想传输线 双曲线方程 几个重要的结论 终端失配 ? 终端开路 ? Zc ? Zl 的一般情况 实际的多次反射举例 传输线匹配方法 二.并联匹配 三.戴维宁等效并联匹配 四.交流并联匹配 五.总线匹配 六.差分信号的终端匹配 跨接电阻匹配 (Rt) 差分传输线边沿耦合的特性阻抗 七. 纯电阻终端匹配原理 以下，我们推导该网络的等效阻抗（Z）： 判定一个导体系统是集中系统还是分布系统的依据与两个因素有关：信号的电子学等效长度和系统的物理尺寸。 当输入信号一定时（上升时间），大物理尺寸的系统是分布系统；而小物理尺寸的系统则可能是集中系统，反之依然。 通常是用系统物理尺寸和信号上升时间的比值来进行衡量。最方便的方法是用信号的电子学等效长度与该系统的实际物理尺寸相比较。 系统物理尺寸小于 则可以认为是集中系统；反之为分布系统。 ? 电子学等效长度： ? 电路尺寸小于 则可以认为是集中系统；反之为分布系统。 平行双线及其等效电路 传输线的物理模型 为了研究信号在传输在线随时间、位置变化时的变化情形，即u(x,t)和i(t,x)的变化规律。我们以平行双线为例引入分布参数的概念，求解传输线上的电压和电流变化规律所满足的方程：电报方程。 ? 选取一小段平行双线的进行研究。小段 的长度为?x,如右图所示。虽然传输线是一个分布系数系统, 但我们仍先用一个集中参数的模型来描述。 ? 显然, ?x越小, 就越接近传输线的实际情况。当?x?0时, 该模型就逼近真实的分布参数系统。 ? 传输线是由无数个这样的小段组成的。 选取传输线起点为坐标原点，即X=0，分析距原点为X到X+?x处的情况: ： L: 单位长度上的分布电感， R: 单位长度上的分布电阻， C: 单位长度上的分布电容， G: 单位长度上的分布电导(介质漏电引起) 在X处的电压为u(t,x)，电流为i(t,x),而X+?x处的电压则为u(t,X+?x),电流则为i(t,X+?x) (注意: 此处电压u 及电流i是时间(t)和位置(x)的二元函数)，根据克希霍夫定律，从传输线的x到x+?x段，应有： 平行双线及其等效电路 下面的讨论, 我们以理想导线来进一步简化上述方程。 ? 假定导线是无损耗线, 既忽略耗能元件电阻和电导的作用，只考虑储能元件电容和电感的作用，因而有: R=0, G=0。 ? 假定导线在各点是均匀的。 这时, 传输线等效电路可简化为一个无损耗线等效电路。 平行双线及其等效电路 无损耗线等效电路 对于理想传输线，当忽略耗能元件电阻和电导的作用时（R=0, G=0），方程（2.2.4）和（2.2.5）就简化为双曲线方程。 从数学上讲，这是一维波动方程，也可称为双曲型方程。要解这组方程，还必须给出具体的初始条件和边界条件。 入射波和反射波 传输速率： 特性阻抗： 反射系数： 终端匹配： ZC=ZL ? 终端短路 电压波 当电压波传到终端后，反射系数为1，所以将在终端全部反射，而相位与入射电压相差，即反向全反射。 电流波 电流波也在终端发生全反射，但相位不变，是正向全反射。 ? 设输入是幅度为+E的阶跃电压，则方程解 变为: x x x x x x x x u(x,t) i(x,t) u(t,l) i(t,l) t t t d t d l l l l l l t l/v t = l/v l/