高速電路的信號完整性分析

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1、高速電路的信號完整性分析摘要：介紹了高速PCB設(shè)計中的信號完整性概念以及破壞信號完整性的原因，從理論和計算的層面上分析了高速電路設(shè)計中反射和串?dāng)_的形成原因，并介紹了IBIS仿真。??關(guān)鍵詞：信號完整性反射串?dāng)_IBIS仿真隨著半導(dǎo)體技術(shù)和深壓微米工藝的不斷發(fā)展，IC的開關(guān)速度目前已經(jīng)從幾十MHz增加到幾百MHz，甚至達(dá)到幾GHz。在高速PCB設(shè)計中，工程師經(jīng)常會碰到誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖、串?dāng)_等信號完整性問題。本文將探討它們的形成原因、計算方法以及如何采用IBIS仿真方法解決這些問題。1信號完整性定義信號完整性（SignalIntegrity，簡稱SI）指

2、的是信號線上的信號質(zhì)量。信號完整性差不是由單一因素造成的，而是由板級設(shè)計中多種因素共同引起的。破壞信號完整性的原因包括反射、振鈴、地彈、串?dāng)_等。隨著信號工作頻率的不斷提高，信號完整性問題已經(jīng)成為高速PCB工程師關(guān)注的焦點。2反射2．1反射的形成和計算傳輸線上的阻抗不連續(xù)會導(dǎo)致信號反射，當(dāng)源端與負(fù)載端阻抗不匹配時，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)；如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。反射回來的信號還會在源端再次形成反射，從而形成振蕩?，F(xiàn)以圖1所示的理想傳輸線模型為例，分析與信號反射有關(guān)的重要參數(shù)。圖1，理想傳輸線L被內(nèi)阻為R0的

3、數(shù)字信號驅(qū)動源Vs驅(qū)動，傳輸線的特性阻抗為Z0，負(fù)載阻抗為RL。如果終端阻抗（B點）跟傳輸線阻抗（A點）不匹配，就會形成反射，反射回來的電壓幅值由負(fù)載反射系數(shù)ρL決定。Ρt可由式（1）得出：ρL=（RL-Z0）/（RL+Z0）??（1）從終端反射回的電壓到達(dá)源端時，可再次反射回負(fù)載端，形成二次反射，此時反射電壓的幅值由源反射系數(shù)ρs決定，ρs可由式（2）得出：ρs=(R0-Z0)/(R0+Z0)????(2)精確計算反射系數(shù)和反射電壓的關(guān)鍵是確定傳輸線的特征阻抗，它不僅僅是印制線的電阻。當(dāng)印制線上傳輸?shù)男盘査俣瘸^100MHz時，必須將印制線看成是帶有寄生電容

4、和電感的傳輸線，而且在高頻下會有超膚效誚和電介質(zhì)損耗，這些都會影響傳輸線的特征阻抗。按照傳輸線的結(jié)構(gòu)，可以將它分為微帶線和帶狀線。2．1．1表情微帶線的特性阻抗微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，其模型如圖2所示。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。計算公式如下：式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線厚度（英寸）,h是電介質(zhì)厚度（英寸），εr是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。2．1．2層間帶狀線的特性阻抗帶狀線是介于兩個接地層之間的印制導(dǎo)線，其模型如圖3所示。它的特性

5、阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個接層的距離有關(guān)。特性阻抗的計算公式如下：式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線存度（英寸），h是電介度厚度（英寸），εr是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。2．1．3非對稱帶狀線的特性阻抗非對稱帶狀線模型如圖4所示。???特性阻抗的計算公式如下：式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線存度（英寸），h是電介質(zhì)厚度（英寸），c是印制導(dǎo)線之間的距離，εr是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。2．2反射引起的問題及解決方法由于存在傳輸線效應(yīng)，從反射的角

6、度來看，會出現(xiàn)以下信號完整性問題：（1）信號反射形成信號振蕩。反射回來的信號會在源端和終端之間形成多次反射，加上傳輸線效應(yīng)引起的過大的電感和電容，會導(dǎo)致信號振蕩，即在一個邏輯電平附近上下震蕩。這種現(xiàn)象尤其會出現(xiàn)在周期性的時鐘信號上，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。???（2）信號反射會形成信號過沖和下沖。雖然一般來說每個信號的輸入端都具有保護(hù)作用的齊納二極管，但過程電平有效會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元件電源電壓范圍，損壞元器件。（3）多次跨越邏輯電平門限。信號在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限，它是信號振蕩的一種特殊的形式，即信號的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限會導(dǎo)致

7、邏輯功能紊亂。解決反射的根本辦法是使信號具有良好的終端匹配，控制傳輸線的長度。同時也可利用IBIS仿真對系統(tǒng)信號進(jìn)行優(yōu)化。3串?dāng)_3．1串?dāng)_的形成和計算在高速信號系統(tǒng)設(shè)計中，反射屬于單信號線現(xiàn)象，當(dāng)然包括地平面問題。但串?dāng)_不同，它是兩條信號線之間以及地平面之間的耦合，所以又稱為三線系統(tǒng)。形成串?dāng)_的根本原因是信號變化引起周邊的電磁場發(fā)生變化，特別是對于高速信號，信號的上升和下降沿的時間可以達(dá)到ps級，高頻分量非常豐富，信號線之間的寄生電容和電感容易成為串?dāng)_信號的耦合通道。下面以圖5所示的傳輸線耦合模型為例進(jìn)行分析。傳輸線上分布著電感分量和電容分量，所以整個信號之間

8、的串?dāng)_由兩部分組成，即容性耦合干擾和感