黑魔书-信号完整性.pdf

中国PCB 技术网翻译整理 夹湾沟、阿鸣 第一章 互连设计的重要性 光速已经太慢了，当前大规模生产的普通数字电路要求时序控制达到皮秒的范围。光 从人的鼻子传输到耳朵所需要的时间大概为 100ps（在100ps 的时间里，光将传输 1.2 英寸）。 这样级别的时序控制不但要维持在硅芯片里，而且还必须在级别更大的系统板上实现，比如 一个计算机的主板。在这些系统中，将器件互连的导体不应再被看作一根简单的导线，而是 呈现了高频效应的传输线。如果这些传输线没有被合理的设计，他们将在不经意间毁灭系统 时序。有些数字设计（并非全部）的复杂程度已经达到甚至超过了模拟电路设计。数字技术 经历了令人瞩目的空前发展。确实，在技术公司的市场部存在着这样的信条：如果让市场来 告诉你公众需要什么，那已经太迟了！ 本书将要解决由于数字电路的迅速发展而而带来的技术瓶颈。这要求现代数字电路设 计者们掌握以前不需要的知识，而很多人却没有。相关知识的缺乏导致了大量的错误信息在 工程师中流行起来，高速设计的概念经常成为了谬论，由于知识的缺乏，这些谬论一直没有 得到解决。事实上，许多相同的概念已经在电子工程的其他学科被用了几十年。例如射频设 计和微波设计。问题是阐述相关主题的参考书都太抽象而不能立即的被电子工程师接受，又 或者工程师们太注重实际而没有足够多的理论知识来完全理解相应的主题。本书将直接针对 数字设计领域，以一种让工程师或学生能够理解的方式来讲解一些必要的概念，以使他们能 理解并解决目前及将来的问题。值得注意的是，本书所讲的内容已经被成功的运用到了现代 设计当中。 1.1 基础知识 读者应该知道，数字设计的基本思想是进行信号通讯，这些信号以0s或1s来表达并传 递信息。典型的数字电路是发送或接受一系列的梯形电压波（如图1.1所示）来进行通讯， 这里，高电平代表1，低电平代表0，数字电路之间用来传输信号的路径被称作互连。互连是 从发送信号的芯片到接收信号芯片间的完整的电子路径，它包括芯片封装、连接器，插座及 许多其他的结构。一组互连被称作总线。数字信号接受设备用来区别高电压和低电压的区域 被称为阈值区。 在这区域里面, 接收器有可能识别信号为高，也有可能识别为低。 在硅芯 片中，实际的开关电压因温度、供应电压，硅芯片的生产过程及其他的变量的变化而变化。 从系统设计者的观点来看,通常每一个接收芯片都有其识别信号状态为高或低的电压阈值, 即Vih 和 Vil。当信号电压值位于Vih上方或Vil下方时，其状态在所有的情况下都可以被接 收芯片正确的识别。 因此，为了确保信号完整性，设计者必须保证系统在所有的情况下， 状态为高时的电压值不低于 Vih,低时不高于Vil。 为了最大化数字系统的运作速度,通过状态不确定区的开关时间必须被减到最少。 这 意谓着数字信号的上升和下降时间得尽可能地快。尽管在理想情况下，无限快的边沿速率应 该被使用，但实际存在的很多问题限制了这种可能。实际上，我们很可能遭遇几百皮秒的边 沿速率。通过傅立叶分析，读者可以验证边沿速率越快，那么更高的频率成分将在信号的频 谱中被发现。对于这个难于理解的问题可以这样理解，每根导线都存在电容，电感和与频率 中国PCB 技术网翻译整理 夹湾沟、阿鸣 图1.1、数字信号波形 相关的电阻。当频率足够高是，这些东西都是不可忽略的。因此导线不再是一根简单的导线， 在波形从驱动芯片传播到接收芯片的过程中，其上面分布的寄生参数将产生延迟，其瞬间阻 抗变化会引起信号波形失真、干扰等，并使系统失灵。导线现在成为了一种被耦合到其周围 所有事物的元素,其中包括电源和地结构及其他的迹线。 信号并不被完全地包含在其自身的 导线中，而是一个围绕着导线周围的所有的局部电磁场的组合体。在一条互连中的信号将影 响其他的互连中的信号，同时也被它们所影响。此外，在高频时，复杂的相互作用将发生在 相同互联的不同部分,例如封装,连接器,过孔,和拐角处。 所有的这些高速效应容易产生奇 特的,失真了的波形，这的确会让设计者以一个完全不同的观点来对待高速逻辑信