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李玉山 信号完整性(SI)分析-11 12有损传输线
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
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