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在微電子技術(shù)和電路與系統(tǒng)技術(shù)邁向新的發(fā)展階段的今天，高速電路信號(hào)完整性(Signal Integrity，SI)分析和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)體系中的瓶頸。信號(hào)完整性問題作為高速電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容已經(jīng)成為當(dāng)今電路設(shè)計(jì)者無法回避的問題，設(shè)計(jì)者不能再繼續(xù)像以往對(duì)待低速電路那樣僅僅專注于電路的邏輯功能設(shè)計(jì)了，而必須切實(shí)理解信號(hào)完整性原理，有效融入信號(hào)完整性設(shè)計(jì)方法，才能充分保證高速電路的功能和性能。高速電路設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)，解決高速電路的信號(hào)完整性問題是設(shè)計(jì)好高速電路系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。一般認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)工作在100 MHz時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。事實(shí)上，信號(hào)完整性問題是由于信號(hào)上升時(shí)間和/或下降時(shí)間太短引起的，工作在低頻的系統(tǒng)如果信號(hào)或時(shí)鐘的上升或下降時(shí)間過短，也可能會(huì)存在信號(hào)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(zhǎng)的信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間，必然也會(huì)造成信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間的縮短，信號(hào)完整性問題也就會(huì)愈發(fā)突出。從設(shè)計(jì)的角度看，高速數(shù)字電路的印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)設(shè)計(jì)雖然是基于其原理電路的，但由于PCB設(shè)計(jì)過程不可避免地會(huì)引入各種分布參數(shù)，PCB設(shè)計(jì)過程在不知不覺中更改了其相應(yīng)電路的原理設(shè)計(jì)，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(hào)的布線等都可能會(huì)引起信號(hào)完整性問題，從而導(dǎo)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(shè)計(jì)過程中充分考慮信號(hào)完整性因素，進(jìn)一步優(yōu)化原理設(shè)計(jì)，進(jìn)而在PCB設(shè)計(jì)過程中采取有效控制措施，已經(jīng)成為高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問題。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求一個(gè)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)的時(shí)間越短越好，但在產(chǎn)品研發(fā)過程中往往要花費(fèi)大量的時(shí)間來解決信號(hào)完整性問題，這也是信號(hào)完整性問題越來越受到關(guān)注的主要原因。在高速電路的原理設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮信號(hào)完整性問題，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(hào)完整性包含了由互連線引起的、影響信號(hào)正確接收的所有問題，主要研究互連線上電壓與電流信號(hào)相互作用時(shí)，其電氣特性參數(shù)如何影響產(chǎn)品性能。如果信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端沿互連線傳輸?shù)浇邮斩撕笥姓_的時(shí)序和幅度，則該電路具有較好的信號(hào)完整性；反之，當(dāng)信號(hào)由于失真而不能被正確響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。高速電路信號(hào)完整性分析前言所有信號(hào)完整性問題都至少與反射、串?dāng)_、電源和地分配網(wǎng)絡(luò)中的軌道塌陷，以及電磁干擾(ElectroMagnetic Interference，EMI)與輻射這四個(gè)噪聲源中一個(gè)有關(guān)。大多數(shù)信號(hào)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(hào)所感受到的互連線電氣特征以及信號(hào)與互連線間相互作用。在“高速”領(lǐng)域，從電氣性能的角度看，封裝和互連對(duì)于信號(hào)不再是既沒有阻抗也沒有延遲的透明連接了，信號(hào)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(shè)計(jì)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(zhǔn)確測(cè)量的一組物理量，具有顯著的頻率相關(guān)性，其基本表現(xiàn)就是傳輸線對(duì)低頻信號(hào)的近乎“透明”的傳輸和對(duì)高頻信號(hào)的損耗和延遲。高速電路設(shè)計(jì)過程在客觀上是一個(gè)充滿直覺的過程，解決問題的靈感往往源自良好的電學(xué)知識(shí)素養(yǎng)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這是設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)完整性問題有著清晰認(rèn)識(shí)的工程師，另一種是對(duì)信號(hào)完整性問題不明就里、人云亦云的工程師?！?經(jīng)驗(yàn)積累固然重要，但對(duì)于原因的清晰探究更加重要?？茖W(xué)研究是不斷地追求原因的過程，理論分析可以幫助設(shè)計(jì)者解釋現(xiàn)象、預(yù)測(cè)結(jié)果，為設(shè)計(jì)者及時(shí)糾正錯(cuò)誤提供有效支撐，有助于縮短設(shè)計(jì)周期、降低生產(chǎn)成本。目前，很多高速數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100 MHz，信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間也大大縮短，信號(hào)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(lǐng)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(hào)完整性問題的來源。為此，要求設(shè)計(jì)人員必須具有良好的電學(xué)理論功底，對(duì)電學(xué)知識(shí)具有體系性的掌握，這樣才能對(duì)互連線帶來的“分布參數(shù)效應(yīng)”的形成機(jī)理有準(zhǔn)確的認(rèn)知和把握，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的各種信號(hào)完整性問題進(jìn)行有針對(duì)性的分析和解決。因此，研究信號(hào)完整性相關(guān)理論具有十分重要的理論及實(shí)踐意義。目前，高速電路信號(hào)完整性分析在國(guó)內(nèi)外已受到廣泛的重視，并已然成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。國(guó)外對(duì)于高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性問題已經(jīng)進(jìn)行了一些比較深入的研究，通過對(duì)互連系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，基于電磁學(xué)、電路以及信號(hào)處理等基礎(chǔ)理論知識(shí)，獲得了很多建設(shè)性結(jié)論；通過對(duì)大量實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了一套具有實(shí)用價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。Intel、IBM、Sun等國(guó)際領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，在十幾年前就設(shè)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位，牢牢壟斷了整個(gè)高端電子產(chǎn)品行業(yè)。國(guó)內(nèi)對(duì)信號(hào)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(shè)立了SI部門，專門從事高速電路的仿真、分析與設(shè)計(jì)，已然取得了一些驕人的成績(jī)。臺(tái)灣地區(qū)對(duì)SI的研究起步較早，當(dāng)?shù)赝ㄐ烹娮有袠I(yè)借助這種先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在通信電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、研發(fā)方面達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。SI問題一方面具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，另一方面又與電磁學(xué)、電路和信號(hào)處理等基礎(chǔ)理論知識(shí)密切相關(guān)。本書從電磁學(xué)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，深入淺出地闡述了與信號(hào)完整性相關(guān)的電磁學(xué)、電路和信號(hào)處理等基礎(chǔ)理論知識(shí)，從理論和實(shí)踐兩個(gè)層面，詳細(xì)探討了高速電路信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中的一些現(xiàn)實(shí)問題，詳細(xì)論述了單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性、兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_、電源和地分配中的軌道塌陷及整個(gè)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(yīng)的解決方案。本書的編寫融電學(xué)理論的體系性與工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)性于一體，側(cè)重于引導(dǎo)讀者建立完善的電學(xué)知識(shí)體系，充分認(rèn)識(shí)電路高速效應(yīng)的機(jī)理，結(jié)合工程實(shí)踐，有效培養(yǎng)設(shè)計(jì)直覺。本書共8章，第1章，電路與信號(hào)。本章闡述電路與信號(hào)的本質(zhì)，基于“場(chǎng)”的思維，運(yùn)用“路”的方法研究信號(hào)的本質(zhì)，以便更好地理解信號(hào)完整性效應(yīng)。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(jìn)一步固化信號(hào)完整性設(shè)計(jì)直覺的理論基礎(chǔ)。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(shè)計(jì)不良會(huì)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)阻抗突變，選擇合適的設(shè)計(jì)和端接方案設(shè)計(jì)阻抗可控互連線，并盡可能保持信號(hào)受到的阻抗恒定。第5章，傳輸線的串?dāng)_。在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，串?dāng)_現(xiàn)象非常普遍，當(dāng)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?dāng)_更成為設(shè)計(jì)人員的一個(gè)回避不了的問題，所以，理解串?dāng)_的機(jī)理、掌握解決串?dāng)_問題的方法，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說至關(guān)重要。第6章，差分對(duì)。差分對(duì)是指用來傳輸差分信號(hào)的一對(duì)耦合傳輸線。差分互連得到了越來越廣泛的應(yīng)用，目前幾乎所有的高速信號(hào)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(yīng)至關(guān)重要。電源完整性質(zhì)量直接影響最終PCB板的信號(hào)完整性和電磁兼容性的好壞，因此，要認(rèn)真設(shè)計(jì)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(hào)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?dāng)_的設(shè)計(jì)方法和提高電源完整性的相關(guān)技術(shù)，同時(shí)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(dǎo)兩種。輻射耦合包括場(chǎng)線耦合、孔縫耦合、以TEM波的形式傳播的天線對(duì)天線耦合等。傳導(dǎo)型干擾的傳導(dǎo)路徑包括電阻性、電容性、電感性的直接傳導(dǎo)性耦合、通過公共地等傳導(dǎo)的公共阻抗耦合、通過互容/互感傳導(dǎo)的線間近場(chǎng)耦合。

編者2018年4月

1電路與信號(hào)(1)

1.1電磁場(chǎng)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(chǎng)中的麥克斯韋方程(4)

1.1.3無界均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中的時(shí)諧平面電磁波(7)

1.1.4良導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)(12)

1.2電磁場(chǎng)理論與電路理論(14)

1.2.1準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)近似(14)

1.2.2集總化的假設(shè)(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(hào)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(hào)的頻譜特征與上升時(shí)間(36)

1.3.4信號(hào)帶寬與上升時(shí)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(dǎo)(47)

2.1.2導(dǎo)體的表面阻抗(49)

2.1.3電阻率、電導(dǎo)率和復(fù)電導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(shí)諧信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(shí)間、線長(zhǎng)與反射(117)

4.6電抗性負(fù)載的反射(125)

4.6.1容性負(fù)載的反射(125)

4.6.2感性負(fù)載的反射(136)

4.7端接策略(148)

5傳輸線的串?dāng)_(158)

5.1互感和互容(158)

5.2前向串?dāng)_和后向串?dāng)_(159)

5.3串?dāng)_分析(162)

5.3.1容性串?dāng)_(162)

5.3.2感性串?dāng)_(167)

5.3.3模態(tài)與遠(yuǎn)端串?dāng)_(169)

5.4傳輸線間距和3W原則(177)

5.5保護(hù)線和分流線(180)

6差分對(duì)(186)

6.1差分信號(hào)與共模信號(hào)(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(hào)和共模信號(hào)的端接(191)

6.5差分信號(hào)向共模信號(hào)的轉(zhuǎn)化(194)

6.6動(dòng)態(tài)線對(duì)差分對(duì)的串?dāng)_(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(guān)噪聲(198)

7.1.1芯片內(nèi)部開關(guān)噪聲(199)

7.1.2芯片外部開關(guān)噪聲(200)

7.2電源分配系統(tǒng)阻抗設(shè)計(jì)(202)

7.3電容退耦原理(205)

7.3.1從儲(chǔ)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(jìn)行去耦設(shè)計(jì)(212)

7.4.1目標(biāo)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(duì)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(jī)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(shù) (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(xiàn)(244)