信号完整性培训.ppt

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1、高速数字系统设计中的信号完整性安琪中国科学技术大学快电子学实验室2005年4月9日第二讲：串扰与多层PCB板分层考虑2-1“地”概念2-2信号电流的返回2-3地平面上信号返回电流的串扰（Crosstalk）2-4非理想的信号返回电流通道2-5保护线2-6近端和远端的串扰2-7多层PCB板分层设计中国科大快电子学安琪22-1“地”概念电子学中“地”的解释，不同的人可以有不同的说法。对于数字逻辑设计人员来说，它涉及到对于数字逻辑信号的一个参考电平；对于系统和机械设计工程师，它可以是连接电路的金属外壳或机箱

2、；对于一个电工来说，它指的是国家标准规定的第三根“安全”地线。然而，从一般的意义上讲，我们可以将“地”的概念从两个方面来认识：安全地（SafetyGround）。信号的零电位参考（0VReferenceGround）。中国科大快电子学安琪3两个定义安全地若一个“地”通过一个低阻抗通道连接到大地（Earth）上，我们称这个地为安全地。信号的零电平参考在电路系统中，信号“地”通常被定义为一个等电位的参考点，一般是采用零电位参考点，所以信号“地”被称为零电位参考，或者说零电平参考。一个基本的概念往往被

3、忽视，这就是电路中信号电流需要一个返回通道，以返回到它的源头，即出发点。因此，当我们讨论这个问题时，我们必须牢记两个基本概念：只要电流从一个有限值的阻抗上流过，在这个阻抗上就会产生电压，这是由欧姆定律所描述的。现实世界里很难找到一个绝对的“零电位”。哪怕电压非常小，可能是在的量级，但它也是存在的。信号电流必须返回到它的源头。中国科大快电子学安琪4信号电流的低阻抗回流通道从高速电路的角度出发，对于信号“地”的一个更好的定义是：信号电流返回到它的源头的低阻抗通道。有人甚至说，忘掉“地”这个术语，考虑改为信

4、号的返回通道（Forgettheword“Ground”,think“ReturnPath”）。在这个范畴里，我们更关心的是电流信号，而不是电压信号。如果两个电路点存在着一定的阻抗，并有电压差存在，则根据欧姆定律，一定会有电流流过。而且，地线上的电流决定了两个电路之间耦合的磁场大小。这是因为两个电路之间闭环回路的存在，电流在这个环中的流动导致了磁场的产生。电子工程师必须认真对待信号电流返回的通道，考虑电流从哪里流过？在这些思考和研究中，我们应当牢记一个基本的事实：电流流过的任何导体上都会有电压降的存在。从

5、这个意义上讲，“信号的零电平参考”和“信号电流的低阻抗回流通道”这两个概念是紧密相关的，应该说，是从不同的角度来看待同一个问题。前者从电压的角度，后者从电流的角度，对于高速数字系统设计人员来说，我们更喜欢使用后者，在系统设计中考虑信号电流的低阻抗回流通道。中国科大快电子学安琪5低速电路的“最小电阻”原则在低速电路中，信号电流的返回通道遵循着最小电阻原则，如图2-3-1所示。驱动门A的输出信号沿着板上的PCB连线传输的电阻B点，然后由地面板返回到驱动门A。返回的线路由图中虚线标出。每一根弧线上的电流密度取决

6、于它的电导，或者说是电阻。2-2信号电流的返回图2-2-1低频信号沿最小电阻通道返回中国科大快电子学安琪6高速数字电路的“最小电感”原则在高速电路中，电感的阻抗影响要远远大于通道的电阻，信号电流的返回通道遵循着最小电感原则，而不是低速电路中的最小电阻原则。我们知道，电路中的电感与信号流动的环面积成正比。当其它因素相同时，环面积越大，电感也越大。因此，当高速的信号电流沿着信号连线的垂直下方的地平面板上返回时，其形成的电流环面积最小，也就是说电感最小。这样的返回通道就是所谓的最小电感通道，如下图所示。图2-2

7、-2高频信号沿最小电感通道返回中国科大快电子学安琪7返回电流的密度分布图3-2-3给出了一个典型的PCB板高频信号连线和它的返回电流密度分布的横截面。在信号连线的垂直下方的电流密度最大，并且在其两边随距离迅速下降。图3-2-3信号连线下方的返回电流密度分布中国科大快电子学安琪8返回电流的密度分布公式距离信号连线中心点为D处的电流密度，可以用下式进行计算。该式一个近似公式。（3-2-1）这里：I0：总的信号电流，单位为安培（A）。H：信号连线与地面板之间的距离，单位为英寸（in）。i(D)：返回电流的电流密

8、度，单位为安培/英寸（A/in）。上式表明返回电流的电流密度分布平衡了两个相反的趋势:电流越强（电流密度越大）的地方，感应信号越大。即：感应信号正比于流过的电流。如一根细导线的电感应比一个平板导体的电感应肯定要大；离信号连线越远的地方，因为信号电流流出和返回形成的环也越大，电感增加。即：电感正比于电流环的面积，感应信号也正比于电流环的面积。在这两种相反的趋势中，电流密度的衰减更快，因为它是以距离D的平方成反比的。上式表述的