信号及电源完整性分析与设计(第一讲)

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1、信号及电源完整性分析与设计[Chapter1]第讲第一讲高速系统设计技术及面临的挑战(开篇)西安电子科技大学电路CAD研究所李玉山2010.910.0引子-Integrity分析/Interconnect设计身边的深刻变化，体现了信号完整性(SI)的进展：●为什么计算机用RS422/485/USB2.0串口取代了许多并口？为什么SMT贴装取代了插装？为什么FPGA中增加了LVDS(低压差分信令)模块及匹配设计？为什么PCB板有那么多电源/地平面？●什么信令和接口更适合高速数据传输？是USB3.0还是IEEE1394b？选什么RAM？是DDR/DDR2/DDR3(双倍

2、数据率同步动态RAM)？选什么连接件(是Tyco或Amphenol-tcs)？●如何提高我国高速电路信号完整性分析与设计水平？2●完整性(Integrity)：信号波形、电源质量、数据时序、电磁场秩序的完好程度，统称为广义信号完整性。●互连(Interconnect)：芯片内、外连接；PCB内、外连接；系统连接等。含信号线网、时钟网络与电源网络。●高速时不当互连设计将破坏这些完整性性能。无源互连元件正取代有源器件成为高速系统设计的主角！●信号像“列车”，互连像“铁路”。信号不完整，全是互连惹的祸！是数字设计师碰到的新问题！3SI在国内既生疏又熟悉。原先对付干扰、噪声

3、的“三大法宝”是：接地、滤波、屏蔽。显得比较粗糙和感性，知识亟待更新深化。现在，国内对SI量化和细化的研究，呈现出浓厚的热情和较好的普及。设计师需理解高速设计SI机理，掌握SI分析仿真技术。近五年我们陆续翻译出版四本原著：《信号完整性分析》、《数字信号完整性》、《抖动、噪声与信号完整性》、《芯片及系统的电源完整性》。自主编著的一本书《信号完整性分析与设计》(2010年4月出版)，希望能为同行工程师们加油。40.1电气性能的完整性英文中人格完整性(personalintegrity)，指完善、廉正。对于电气性能，“完整”就是属性的完美。除了狭义信号的完整性(SI)之外

4、，还有数据完整性(DI)、电源完整性(PI)、电磁完整性(EMI)、热完整性(TI)等。信号(SI)和数据完整性(DI)，是指信号电压(电流)完美的波形形状保真度。如果互连设计不当，信号中有严重干扰和噪声；信号外观失真和退化，即信号完整性被破坏。信号和数据完整性设计的追求是：电路正常工作；数据可靠传输。SI/DI是高速互连的核心问题。5广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源互连引起的所有电压、电流不正常现象，包括：噪声、干扰、时序抖动、数据传输等。狭义的信号/数据完整性，指信号电压(电流)波形的质量,主要包括反射和串扰。物理互连使得信号的波形变退化；形成信

5、号幅度上的噪声(SI)和时序上的错位/抖动(DI)(其实，幅度噪声也可以折算到时序抖动，见DSI一书2.65式)。分析信号(含数据)完整性，归根结底落实到改进理互连设计，使高速信号仍能保持正常工作和传输。60.2高速的含义现代数字电子系统正在突破1GHz的壁垒，芯片/PCB/系统设计正遭遇日益突出的信号完整性问题。高于100MHz时钟的高频产品，被模糊地称作高速数字芯片和系统。高频不一定高速；低频也不见得低速。准确讲，当系统中数字信号的上升边小于1纳秒(ns)时，称之为高速运行才比较合适。此时互连不再“透明”，极有可能对电路和系统造成颠覆性后果。信号不完整，是高速信

6、号遭遇高密度不当互连时出现的直接结果。70.3互连的范畴电子产品都可看作元器件及其互连。从小到大都是不同层次互连“编织”而成。三个典型的高密度互连载体为：系统级芯片SOC、系统级电路板SOB、系统级封装SOP。物理互连分为四个层次：芯片内连线、芯片封装、PCB及整机系统连接。它们决定高速信号、数据和电源质量。真实互连有：芯片内走线及过孔、压焊点、封装引线、引脚；PCB板线接头、背板(backplane)、线条走线、过孔、连接件；各种连接电缆。还有无源元件：电阻器、电容器、电感器；以及介质、基板、屏蔽盒、机壳、机架等。有源8器件则被看作驱动器/接收器非线性宏模型。图0

7、-1五种PCB及系统级中的互连线条形式9电路图给出元器件及其互连关系。而同一个线网，电属性相同，其连扑其互连拓扑关系关系能可能如下：点到点；星簇(starcluster)是每个器件通过长度相等的传输线连接到中中节心节点点上；菊花链(daisychain)是一条长传输线从每个器件附近经过，器件通过短桩线连在主传输线上。•点到点•近、远端簇•菊花链•周期性加载图0-2单个线网的各种互连拓扑情况100.4广义信号完整性信号完整性讨论的主要对象是数字信号，人们讨论的只有数字信号完整性，一般不说模拟信号的完整性。这是由于数字信号的非理想退化而呈现的一种模拟效应。主要内因是