李玉山 信号完整性(SI)分析-11 12有损传输线.pdf

高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析 (之11~12[九]：有损线、材料特 性和上升边退化) 李玉山 西安电子科技大学电路CAD研究所 9.0 引言 边沿快速变化的信号经过一段长传输线之后，输出信号 的上升边将变长。图9.1 是上升边为 50 ps 的信号在FR4(最 常用的玻璃纤维 PCB 板)上经过 36in 长、50Ω的传输线线 条后测得的响应。从图中可以看出上升边几乎拉长到 1 ns。 这种由传输线损耗引起的上升边退化将会引起符号间干扰 (ISI)和眼图的塌陷。 前 (其实，前一章的时延ΔTD 中也有上升边退化的问题， 面并未单独加以讨论。此处才把时延和退化分开论述。) input ──输入 after 36 inches ──36in 后 2 nsec/div ── 2ns/格 50mV/div ── 50mV/格 图 9.1 经过 50Ω、36in 长传输线的输入和输出信号,其中输入信 号的上升边为 50ps，而输出信号的上升边则为1ns 对于所有时钟频率高于 1GHz、传输长度超过 10in 的信 号，例如在高速链路 (Serial Link)和千兆比特以太网中， 传输线损耗是首要的信号完整性问题。 提示 实际传输线中传播的信号，上升边变长是由于信号的高频分量衰减要比 低频分量衰减大得多。 在频域中分析与频率相关的损耗是最简单的。实际上， 由损耗线产生的问题具有明显的时域特征。所以，最终必 须在时域中分析总的响应。这一章中，首先在频域理解损 耗机理；然后再到时域估计它对信号完整性的影响(本章讨 论两种损耗：导线损、介质损及其退化分析)。 9.1 有损线的不良影响 如果损耗与频率无关，低频与高频衰减相同，整个信号 幅度上一致地降低，上升边形状保持不变。图 9.2 说明了这 一点。这种常量型衰减不影响信号上升边、时序和抖动。 Voltage，V ── 电压，V Time，nsec ── 时间，ns 图9.2 损耗与频率无关时，上升边为 100ps的信号传播仿真波形， 损耗只影响到信号的幅度 当信号沿着实际有损传输线传播时，高频分量幅度减小 而低频幅度不变。选择性衰减使得信号带宽降低，信号的 上升边拉长。上升边拉长就是一种主要的上升边退化。 如果上升边的退化与位的周期相比很小，位序模式 (在 通信中所谓的 bps 数据流中，由每个位接连组成的结构形 状)将比较稳定，并与数据流中前面的历经情况无关。在一 个位周期结束时，信号已经稳定并达到终值。无论前边那 一位是高还是低，也不管该位居高或低多长时间，位流中 某一位的电压波形将与之前的那一位相互独立。这种情况 下，不存在符号间干扰(Intersymbol Interference，ISI)。 如果之前长时间内位序模式为高，接着一位降低后立即 再升高，则低电平位无论如何都没有时间降低到最低电压值 可见，单个位的实际电平准确值取决于之前的位序模式，图 9.3 说明，这就被称作是符号间干扰或 ISI。 Voltage，V ── 电压，V Time，nsec ── 时间，ns 图 9.3 5GHz 时钟驱动伪随机位流。左：上升边远小于位周期时的 位序模式；右：上升边与位周期相当时的位序模式，它使得电压电平 与模式有关并造成符号间干扰 频率相关损耗—上升边退化引起符号间干扰：具体某一 位