信号完整性分析软件：Keysight ADS二次开发_（7）.信号完整性基础.docx

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信号完整性基础

1.信号完整性的定义

信号完整性（SignalIntegrity,SI）是指在高速数字系统中，信号在传输过程中保持其波形质量和时序特性的能力。简而言之，信号完整性是指信号在传输过程中是否保持其原始的形状和特性，不受各种因素的影响。在高速数字设计中，信号完整性问题可能导致系统性能下降、数据传输错误甚至系统失效。

1.1信号完整性的重要性

在高速数字系统中，随着数据率的不断提高，信号传输路径上的寄生效应、反射、串扰和电源噪声等问题变得越来越严重。这些问题不仅会影响信号的传输质量，还会导致时序错误和逻辑判断错误。因此，信号完整性分析在系统设计阶段显得尤为重要。通过信号完整性分析，可以预测和解决这些潜在的问题，确保系统的稳定性和可靠性。

1.2信号完整性的常见问题

反射（Reflection）：

反射是由于传输线阻抗不匹配引起的信号回波。当信号从一个阻抗较高的区域传输到一个阻抗较低的区域时，一部分信号会被反射回发送端，导致信号波形失真。

原理：信号在传输线上的反射可以用传输线理论来解释。传输线的特性阻抗Z0与负载阻抗ZL不匹配时，会产生反射系数

$$

=

$$

示例：假设传输线的特性阻抗Z0=50?

$$

===0.2

$$

即20%的信号会被反射回发送端。

串扰（Crosstalk）：

串扰是指一个信号线上的信号对相邻信号线的影响。这种影响通常会导致噪声和信号失真。

原理：串扰主要由电磁耦合引起，包括电容耦合和电感耦合。电容耦合导致耦合电流，电感耦合导致耦合电压。

示例：在两根平行的传输线上，假设一根线上的信号为V1t，另一根线上的信号为

$$

V_{}=C

$$

其中C是两根线之间的耦合电容。

电源噪声（PowerSupplyNoise）：

电源噪声是指由于电源电压波动引起的信号失真。这种噪声通常会导致信号电平不稳定，影响系统的正常工作。

原理：电源噪声主要由电源线上的寄生电感和电容引起。当负载电流变化时，电源线上的电压降会导致电源噪声。

示例：假设电源线上的寄生电感L=10?nH

$$

V_{}=L=10,,=10,

$$

延迟（Delay）：

延迟是指信号在传输线上传播所需的时间。不同的传输线长度和材料会导致不同的延迟。

原理：信号在传输线上的传播速度v由传输线的特性阻抗和介电常数决定：

$$

v=

$$

其中c是光速，?r

示例：假设传输线的相对介电常数?r

$$

v==1.5^8,

$$

如果传输线的长度为10cm，则信号的传播延迟为：

$$

t_{}==0.67,

$$

2.信号完整性的基本概念

2.1传输线理论

传输线理论是信号完整性分析的基础。传输线可以分为无损传输线和有损传输线。无损传输线假设传输线没有电阻和导体损耗，而有损传输线则考虑了这些因素。

无损传输线：

无损传输线的特性阻抗Z0和传播延迟tdelay是由传输线的电感L和电容C

$$

Z_0=,t_{}=

$$

有损传输线：

有损传输线考虑了电阻R和导体损耗G对信号传输的影响。这些参数会影响信号的衰减和波形质量。

2.2反射和终端匹配

反射是由于传输线阻抗不匹配引起的。终端匹配是一种减少反射的方法，通过在传输线的末端添加匹配电阻来使传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。

匹配电阻：

终端匹配电阻的值通常等于传输线的特性阻抗Z0

示例：

假设传输线的特性阻抗Z0=50

2.3串扰和屏蔽

串扰是由于信号线之间的电磁耦合引起的。屏蔽是一种减少串扰的方法，通过在信号线周围添加屏蔽层来减少电磁耦合。

屏蔽层：

屏蔽层通常由导电材料制成，可以有效地吸收和反射电磁波。

示例：

假设两根信号线之间的耦合电容C=

$$

V_{}=C

$$

如果在两根信号线之间添加屏蔽层，可以显著减少耦合电容C，从而减少串扰电压。

2.4电源噪声和去耦电容

电源噪声是由于电源线上的寄生电感和电容引起的。去耦电容是一种减少电源噪声的方法，通过在电源线上添加电容来提供瞬时的电流需求，减少电压波动。

去耦电容：

去耦电容通常放置在负载附近，以减少电源线上的寄生电感和电容的影响。

示例：

假设负载电流变化率为dIdt=

$$

V_{}=L=10,,=10,

$$

如果在电源线上添加一个10nF的去耦电容，可以显著减少电源噪声。

3.信号完整性分析方法

3.1时域分析

时域分析主要用于分析信号的波形质量和时序特性。常见的时域分析方法包括IBIS模型仿真和SPICE仿真。

IBIS模型仿真：

IBIS（Input/Outp