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在微電子技術和電路與系統(tǒng)技術邁向新的發(fā)展階段的今天，高速電路信號完整性(Signal Integrity，SI)分析和設計有其特殊重要性，在某種程度上已成為新一代高速、超高速系統(tǒng)分析和設計體系中的瓶頸。信號完整性問題作為高速電路設計的重要內(nèi)容已經(jīng)成為當今電路設計者無法回避的問題，設計者不能再繼續(xù)像以往對待低速電路那樣僅僅專注于電路的邏輯功能設計了，而必須切實理解信號完整性原理，有效融入信號完整性設計方法，才能充分保證高速電路的功能和性能。高速電路設計的本質(zhì)就是信號完整性設計，解決高速電路的信號完整性問題是設計好高速電路系統(tǒng)的關鍵所在。一般認為，當系統(tǒng)工作在100 MHz時，就會產(chǎn)生信號完整性問題。事實上，信號完整性問題是由于信號上升時間和/或下降時間太短引起的，工作在低頻的系統(tǒng)如果信號或時鐘的上升或下降時間過短，也可能會存在信號完整性問題。另外，隨著系統(tǒng)和器件工作頻率的不斷攀升，為了保證足夠長的信號穩(wěn)定時間，必然也會造成信號上升時間和下降時間的縮短，信號完整性問題也就會愈發(fā)突出。從設計的角度看，高速數(shù)字電路的印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)設計雖然是基于其原理電路的，但由于PCB設計過程不可避免地會引入各種分布參數(shù)，PCB設計過程在不知不覺中更改了其相應電路的原理設計，電路所用元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號的布線等都可能會引起信號完整性問題，從而導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不能正常工作。如何在PCB設計過程中充分考慮信號完整性因素，進一步優(yōu)化原理設計，進而在PCB設計過程中采取有效控制措施，已經(jīng)成為高速數(shù)字電路設計者必須面對的問題。激烈的市場競爭要求一個產(chǎn)品從設計到投放市場的時間越短越好，但在產(chǎn)品研發(fā)過程中往往要花費大量的時間來解決信號完整性問題，這也是信號完整性問題越來越受到關注的主要原因。在高速電路的原理設計和PCB設計時，充分考慮信號完整性問題，有助于提高產(chǎn)品設計的首件成功率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。廣義上的信號完整性包含了由互連線引起的、影響信號正確接收的所有問題，主要研究互連線上電壓與電流信號相互作用時，其電氣特性參數(shù)如何影響產(chǎn)品性能。如果信號從驅(qū)動端沿互連線傳輸?shù)浇邮斩撕笥姓_的時序和幅度，則該電路具有較好的信號完整性；反之，當信號由于失真而不能被正確響應時，就出現(xiàn)了信號完整性問題。高速電路信號完整性分析前言所有信號完整性問題都至少與反射、串擾、電源和地分配網(wǎng)絡中的軌道塌陷，以及電磁干擾(ElectroMagnetic Interference，EMI)與輻射這四個噪聲源中一個有關。大多數(shù)信號完整性問題本質(zhì)上都是來自傳輸線阻抗。傳輸線阻抗是一段互連線的基本電氣特性，它描述了信號所感受到的互連線電氣特征以及信號與互連線間相互作用。在“高速”領域，從電氣性能的角度看，封裝和互連對于信號不再是既沒有阻抗也沒有延遲的透明連接了，信號的傳輸過程受到了芯片、封裝、電路板、接插件和連線電纜等所有互連設計及所用材料的分布參數(shù)的影響。分布參數(shù)是客觀存在但又不易被準確測量的一組物理量，具有顯著的頻率相關性，其基本表現(xiàn)就是傳輸線對低頻信號的近乎“透明”的傳輸和對高頻信號的損耗和延遲。高速電路設計過程在客觀上是一個充滿直覺的過程，解決問題的靈感往往源自良好的電學知識素養(yǎng)和豐富的工程實踐經(jīng)驗，這是設計者設計直覺即想象力和創(chuàng)造性的源泉?！坝袃煞N工程師，一種是對信號完整性問題有著清晰認識的工程師，另一種是對信號完整性問題不明就里、人云亦云的工程師?！?經(jīng)驗積累固然重要，但對于原因的清晰探究更加重要?？茖W研究是不斷地追求原因的過程，理論分析可以幫助設計者解釋現(xiàn)象、預測結(jié)果，為設計者及時糾正錯誤提供有效支撐，有助于縮短設計周期、降低生產(chǎn)成本。目前，很多高速數(shù)字系統(tǒng)的時鐘已經(jīng)遠遠超過100 MHz，信號上升時間和下降時間也大大縮短，信號完整性問題使得首件產(chǎn)品很難做到一次成功。原來在低頻領域起到透明連接作用的鍵合線、封裝引線、芯片引腳、電路板上器件間的連接線條、接插件、連接電纜等，都成了信號完整性問題的來源。為此，要求設計人員必須具有良好的電學理論功底，對電學知識具有體系性的掌握，這樣才能對互連線帶來的“分布參數(shù)效應”的形成機理有準確的認知和把握，并在此基礎上對設計過程中發(fā)現(xiàn)的各種信號完整性問題進行有針對性的分析和解決。因此，研究信號完整性相關理論具有十分重要的理論及實踐意義。目前，高速電路信號完整性分析在國內(nèi)外已受到廣泛的重視，并已然成為一個研究熱點。國外對于高速數(shù)字電路的信號完整性問題已經(jīng)進行了一些比較深入的研究，通過對互連系統(tǒng)進行建模仿真，基于電磁學、電路以及信號處理等基礎理論知識，獲得了很多建設性結(jié)論；通過對大量實際產(chǎn)品的設計驗證，基于實踐經(jīng)驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出了一套具有實用價值的經(jīng)驗準則。Intel、IBM、Sun等國際領先的半導體企業(yè)，在十幾年前就設立了專門的SI部門，分配大量的人力物力專門研究高速系統(tǒng)的SI、PI (Power Integrity)和EMI問題,在這些方面的投入也使得它們一直處于半導體產(chǎn)業(yè)的領先地位，牢牢壟斷了整個高端電子產(chǎn)品行業(yè)。國內(nèi)對信號完整性的研究已經(jīng)起步，近年來，華為、中興等大型通信電子企業(yè)相繼設立了SI部門，專門從事高速電路的仿真、分析與設計，已然取得了一些驕人的成績。臺灣地區(qū)對SI的研究起步較早，當?shù)赝ㄐ烹娮有袠I(yè)借助這種先發(fā)優(yōu)勢，在通信電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、研發(fā)方面達到了世界領先水平。SI問題一方面具有較強的實踐性，另一方面又與電磁學、電路和信號處理等基礎理論知識密切相關。本書從電磁學的基礎理論出發(fā)，深入淺出地闡述了與信號完整性相關的電磁學、電路和信號處理等基礎理論知識，從理論和實踐兩個層面，詳細探討了高速電路信號完整性設計中的一些現(xiàn)實問題，詳細論述了單一網(wǎng)絡的信號完整性、兩個或多個網(wǎng)絡間的串擾、電源和地分配中的軌道塌陷及整個系統(tǒng)的電磁干擾和輻射等四類噪聲源的成因，并給出了相應的解決方案。本書的編寫融電學理論的體系性與工程實踐的經(jīng)驗性于一體，側(cè)重于引導讀者建立完善的電學知識體系，充分認識電路高速效應的機理，結(jié)合工程實踐，有效培養(yǎng)設計直覺。本書共8章，第1章，電路與信號。本章闡述電路與信號的本質(zhì)，基于“場”的思維，運用“路”的方法研究信號的本質(zhì)，以便更好地理解信號完整性效應。第2章，電阻、電容和電感。第3章，傳輸線。第2章研究電阻、電容和電感的電氣特性，第3章研究傳輸線的電氣特性，目的是進一步固化信號完整性設計直覺的理論基礎。第4章，反射與端接。反射的最直接的原因就是傳輸線上的阻抗突變。在高速電路中，除了由于設計不良會引入阻抗突變之外，還存在很多非故意阻抗突變。本章研究的目的是準確預測阻抗突變，選擇合適的設計和端接方案設計阻抗可控互連線，并盡可能保持信號受到的阻抗恒定。第5章，傳輸線的串擾。在高速數(shù)字系統(tǒng)設計中，串擾現(xiàn)象非常普遍，當前隨著客戶需求的提高，數(shù)字系統(tǒng)正向著尺寸更小、速度更快的方向飛速發(fā)展，串擾更成為設計人員的一個回避不了的問題，所以，理解串擾的機理、掌握解決串擾問題的方法，對設計人員來說至關重要。第6章，差分對。差分對是指用來傳輸差分信號的一對耦合傳輸線。差分互連得到了越來越廣泛的應用，目前幾乎所有的高速信號都使用差分互連。鑒于此，研究差分互連的電氣特性顯得尤為重要。第7章，電源分配系統(tǒng)。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，穩(wěn)定可靠的電源供應至關重要。電源完整性質(zhì)量直接影響最終PCB板的信號完整性和電磁兼容性的好壞，因此，要認真設計電源分配系統(tǒng)( Power Distribution System， PDS)，盡量減少電源噪聲。第8章，輻射和干擾。信號完整性問題的根源也是電磁干擾的根源，前面討論的降低反射、串擾的設計方法和提高電源完整性的相關技術，同時也是減弱噪聲源的有效方法。干擾傳輸通道包括輻射和傳導兩種。輻射耦合包括場線耦合、孔縫耦合、以TEM波的形式傳播的天線對天線耦合等。傳導型干擾的傳導路徑包括電阻性、電容性、電感性的直接傳導性耦合、通過公共地等傳導的公共阻抗耦合、通過互容/互感傳導的線間近場耦合。

編者2018年4月

1電路與信號(1)

1.1電磁場理論(1)

1.1.1麥克斯韋方程組的一般形式(1)

1.1.2穩(wěn)恒場中的麥克斯韋方程(4)

1.1.3無界均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中的時諧平面電磁波(7)

1.1.4良導體的趨膚效應(12)

1.2電磁場理論與電路理論(14)

1.2.1準靜態(tài)場近似(14)

1.2.2集總化的假設(18)

1.2.3電壓和電流(22)

1.2.4電路基本元件(23)

1.2.5電路基本定律(26)

1.3信號的本質(zhì)(29)

1.3.1正弦波(29)

1.3.2傅里葉變換(31)

1.3.3信號的頻譜特征與上升時間(36)

1.3.4信號帶寬與上升時間(40)

1.3.5互連線的帶寬(45)

2電阻、電容和電感(47)

2.1電阻(47)

2.1.1直流電阻、交流電阻與電導(47)

2.1.2導體的表面阻抗(49)

2.1.3電阻率、電導率和復電導率(49)

2.1.4介質(zhì)材料的漏電阻(50)

2.1.5電阻元件的頻率特性(52)

2.2電容(54)

2.2.1電容的定義(54)

2.2.2電容的電路方程(56)

2.2.3部分電容(56)

2.2.4平行板電容(58)

2.2.5介電常數(shù)、等效介電常數(shù)和復介電常數(shù)(59)

2.2.6電容元件的頻率特性(62)

2.3電感(63)

2.3.1電感的定義(64)

2.3.2回路自感和回路互感(65)

2.3.3局部自感和局部互感(68)

2.3.4磁導率(69)

2.3.5電感元件的頻率特性(71)

2.3.6交流電感(72)

3傳輸線(75)

3.1時諧信號驅(qū)動下的傳輸線(75)

3.2傳輸線的分布參數(shù)(77)

3.3均勻傳輸線分析(78)

3.3.1均勻傳輸線方程(79)

3.3.2均勻傳輸線方程的解(80)

3.4均勻傳輸線的傳輸特性(82)

3.5均勻傳輸線的反射系數(shù)(87)

3.6均勻無耗傳輸線(88)

3.7均勻傳輸線的阻抗(95)

4反射與端接(99)

4.1阻抗的非故意突變(99)

4.2反射形成的機理(105)

4.3多次反射與反彈圖(108)

4.4理想狀態(tài)下的反射(109)

4.5上升時間、線長與反射(117)

4.6電抗性負載的反射(125)

4.6.1容性負載的反射(125)

4.6.2感性負載的反射(136)

4.7端接策略(148)

5傳輸線的串擾(158)

5.1互感和互容(158)

5.2前向串擾和后向串擾(159)

5.3串擾分析(162)

5.3.1容性串擾(162)

5.3.2感性串擾(167)

5.3.3模態(tài)與遠端串擾(169)

5.4傳輸線間距和3W原則(177)

5.5保護線和分流線(180)

6差分對(186)

6.1差分信號與共模信號(186)

6.2差分阻抗和共模阻抗(187)

6.3返回平面與差分阻抗(189)

6.4差分信號和共模信號的端接(191)

6.5差分信號向共模信號的轉(zhuǎn)化(194)

6.6動態(tài)線對差分對的串擾(195)

6.7返回路徑中的間隙(196)

7電源分配系統(tǒng)(198)

7.1同步開關噪聲(198)

7.1.1芯片內(nèi)部開關噪聲(199)

7.1.2芯片外部開關噪聲(200)

7.2電源分配系統(tǒng)阻抗設計(202)

7.3電容退耦原理(205)

7.3.1從儲能的角度說明(205)

7.3.2從阻抗的角度說明(206)

7.3.3電源、地平面和去耦電容(210)

7.4從電源系統(tǒng)的角度進行去耦設計(212)

7.4.1目標阻抗(212)

7.4.2需要的電容量(212)

7.4.3相同容值電容并聯(lián)(214)

7.4.4不同容值電容的并聯(lián)與反諧振(215)

7.4.5ESR對反諧振的影響(216)

7.4.6參考平面層的作用(218)

8輻射和干擾(219)

8.1輻射干擾的產(chǎn)生機理及抑制方法(219)

8.1.1差模輻射(220)

8.1.2共模輻射(223)

8.1.3天線接收原理(225)

8.2共模抑制技術 (226)

8.3屏蔽原理(232)

8.4磁屏蔽(235)

8.5電磁屏蔽(237)

8.6屏蔽體上的孔縫(239)

參考文獻(244)