传输线理论与信号完整性分析课件.ppt

传输线理论与

信号完整性分析;一、传输线理论;多长的走线才是传输线？

这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。

对于传输时间信号上升时间的线路，由于对信号的影响微乎其微，所以在此不做讨论。

假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。

在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns时间，信号在线条上还是走了6英寸。;每个单元传输的时间Δt=Δx/V

Z=电压/通过电流

C=CL*Δx（CL=单位长度电容）

ΔQ=C*V

I=ΔQ/Δt=(v*CL*Δx*V)/Δx=v*CL*V

最终的出：Z=V/I=V/V*CL*V=1/v*CL

瞬时阻抗的特点是：

和电容成反比

看上去像电阻

只和自身内在的特性有关

和长度无关

特征阻抗是均匀传输线的瞬时阻抗，

具有瞬时阻抗的所有特点。所谓的均匀

传输线，诸如PCB上的微带线，和同轴

电缆等等。

特征阻抗Z0=1/(V*CL)

;§3.传输线差分/共模阻抗和奇模/偶模阻抗之间的关系;如果差分和共模的情况的话，如下图所示：;传输线理论;二、信号完整性分析（SignalIntegrity）;Eric博士在他的著作《SignalIntegrity-Simplified》里面，说到所有的信号完整性问题可以分为四类：

1.SingleTraceSignalIntegrity:单根传输线的信号完整性问题

在信号路径或返回路径上由于阻抗突变而引起的反射与失真.使信号感受到阻抗变化的情况.例如振铃问题就是由于信号传输过程中感受到阻抗的变化，发生的信号反射,以及损耗

2.Crosstalk:相邻传输线之间的信号串扰问题

产生串扰的原因：正是网络间的容性耦合和感性耦合，给有害噪声从一个网络到达另一个网络提供了路径

3.PIRelated:与电源和地分布相关的问题(地弹和轨道塌陷)---电感引起

当通过电源和地路径的电流发生变化时，在电源路径和地路径间的阻抗上将产生一个压降。这个压降就意味着供给芯片的电压减小了，可以看做是电源与地间的电压减小或塌陷。这就是要在芯片电源旁加个电容原因。

4.EMI:电磁干扰和污染问题

两种最常见的电磁干扰源：

1.差分信号转换成共模信号，最终在外部的双绞电缆线上输出；

2.电路板上的地弹在外部单端屏蔽线上产生共模电流。;信号完整性分析（SignalIntegrity）;对于1GHz理想方波，依次叠加各次谐波生成的时域波形：首先是0次谐波和1次谐波，再加上3次谐波，7次谐波，第19次谐波，最后一直加到第31次谐波…;损耗

如果损耗对低频和高频的衰减一样，则远端的信号仅仅是减小，而输出的频谱模式同输入的频谱模式是相同的，从而对波形的上升时间没有影响。

信号沿FR4传播，两种有功损耗：导体损耗和介质损耗。

两种损耗的高频衰减大于低频衰减。当信号传播4in长时，８GHz以上高频分量的功率衰减量大于50%，而对低频分量的影响却小得多。

图2.10(上)，FR4板上４in长传输线，测量的正弦波频率分量衰减。２GHz以下频率分量的衰减不超过+1dB，而10GHz上的频率分量衰减为-4dB.

;信号完整性分析（SignalIntegrity）;信号完整性分析（SignalIntegrity）;SI的四种分析、描述手段和途径;导线靠得越近，互感越大，有效电感越大。但是由于这两条导线是并联的，等效电感只是其中任意一条导线净电感的一半。

右图为另一示例，过孔是从去耦电容器焊盘到下面的电源和地平面，假设与平面的距离为20mil，过孔直径为10mil。每个电容焊盘使用多个并联的过孔。

上：常规布局；下：为降低净电感和得到最低的电压塌陷噪声的优化布局，其中S2过孔长度，S1过孔长度

若过孔的电流方向相同，则并联的过孔数目越多，等效电感越小。

同理，若过孔的电流方向相反，则两过孔靠得越近，每个过孔的有效电感就越小。从而降低轨道塌陷电压。