电子电路信号完整性及影响因素

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1、第1章 基本知识n1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）n1-2 频率与时间n1-3 时间与距离n1-4 集总系统与分布系统n1-5 -3dB频率与上升时间n1-6 四种电抗n1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）n信号：使用非常广泛。从信息论的角度，信号是 信息的一种物理体现，是信息的载体。广义地信 号定义为一个随时间（和位置）变化的物理量。n模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号幅度 值可以取连续范围的任意数值。简单地讲：是指 时间和幅度均是连续的物理量。n数字信号：在时间和幅度上都量化后取得的信号 。

2、它是以某种时间间隔依次出现的数字序列。简 单地讲：是指时间和幅度均是离散的物理量。一. 数字信号1. 理想的数字信号数学模型1：数学模型2：2. 实际的数字信号n上升时间（tr）: 数字信号上升沿中对应满幅 度电压的10%90%处的时间间隔。n下降时间（tf）: 数字信号下降沿中对应满幅 度电压的90%10%处的时间间隔。n上冲（Overshoot）:上冲又被称为过冲。它指的是沿着信 号边沿的跳变方向，信号波形中超出稳定的“1”或“0” 状态电平的部分。对于上升沿，是从“0”到“1”的跳变 ，在高电平处高于逻辑电平“1”稳定电压值的部分。对 于下降沿，这应是从“1”到“0”的跳变，在低电平处低

3、 于逻辑电平“0”电压稳定值的部分。n下冲（Undershoot）:又称反冲。指信号在过冲 后，又沿着跳变方向的反方向，信号波形越过稳 定的“1”或“0”状态电平的部分。对于上升沿 ，即：从“0”到“1”的跳变，信号上冲后，反 过来又低于逻辑电平“1”的稳定电压值的部分 。对于下降沿，即：从“1”到“0”的跳变，信 号过冲后，反过来又高于逻辑电平“0”的电压 稳定值的部分。占空比（Duty Cycle）：时钟信号在一个 周期内的高低电平的时间宽度之比。一般 用百分比来表示，如果信号脉宽t,周期T, 则占空比为（t/T*100）。n振铃（Ring）:信号发生连续多次的上冲和下 冲所形成的震荡。其

4、振幅应是一次比一次小， 逐渐趋于零。n噪声容限（Noise Margin） ：是量度逻辑电 路在最坏工作条件下的抗干扰能力的直流电压 指标, 它规定了ECL电路在稳定状态时允许的 最大噪声。定义为最差输入逻辑电平值(VIHmin 或VILmax)与在这种输入条件下所能保证的最差 输出逻辑电平值(VOHmin或VOL max)之差。这里有 两个噪声容限定义：表示高电平状态时的噪声 容限, 表示低电平状态时的噪声容限。二. 信号完整性n信号完整性涉及到两个方面：信号波形的完整 性和时序的完整性。n信号波形的完整性：经常提及的术语即上述的 五个基本概念，这就是：信号的上升时间；下 降时间；上冲；下冲

5、；振铃；以及接收端的信 号还存在多大的噪声容限。n时序完整性主要关注的是同步时序方 程是否能满足。经常涉及到是时序偏 差（Skew）和抖动(Jitter)的概念。n时序偏差：时序信号的理想“沿变”和实际 上的“沿变” 之差。n在实际系统中，造成时序信号的“沿变” 与理想“沿变”存在差别的一个主要原因 是逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着 差别。因此，人们也常直观地将时序偏差 定义为器件输出时序信号的传输延迟之差 。n两类时序偏差：从更广义的角度出发，由于器件之间 连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引 起时序信号的实际“沿变”与理想的“沿变”不同。 可以分为两类。n内部时序偏差（Int

6、rinsic Skew）：由逻辑器件内部 产生，表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。n外部时序偏差（Extrinsic Skew）：由于连线延迟和 负载条件不同引起的延迟差别。n时序抖动：当实际信号的边沿与理想时序边沿的偏离 由于受某种因素（如噪声、串扰、电源电压变化等） 不断发生变化时，而且这种变化是随机的，这种现象 就是我们常说的时序抖动，或者说时序晃动。这种偏 离相对于理想位置可能是超前，也可能是滞后的，时 序抖动的数值表示通常有两种：1. 时钟抖动的最大值，即峰-峰值（Peak-Peak），单位：ps2. 时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（），单位：psn数字信号的边沿抖动，对

7、系统的影响可以认为是一种动态行为， 或者说其影响是随机的，对系统性能破坏更大，尤其是时钟信号 的抖动，常常是制约高速数字系统性能的根本因素。实际的数字信号要点：n在高速数字系统设计时，实际的数字波形必须 考虑。既：要保持信号的完整性。n信号完整性涉及到两个方面：波形完整性和时 序完整性。n波形完整性要素：上升和下降时间. 上冲和下冲. 振铃. 噪声 容限. 占空比n时序完整性要素：同步时序方程. 时序偏差. 时序噪声1-2 频率与时间n电路元件的参数对频率敏感，在不同的频率 范围内会表现出来不同的特性。任何一种电 参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。考虑两个极端情况：1. 一个频率为10 -

8、12的正弦波波形变化一个周期需要3万年；若输入到TTL 电路，其输出电压每天变化不到1mV (1年 3.15107秒)。任何一个包含这样低频率的半导 体器件的试验都会以失败而告终。 2. 一个频率为10 12的正弦波信号周期为1ps，数字电路根本无法响 应这个信号。一些电路参数发生变化。如地线的电阻由于 趋肤效应由0.01（1KHz）变为1 ，还有50 的感应电抗。膝频率与上升时间n任何数字信号的膝频率只与数字信号的上升（tr）和 下降沿时间（tf）有关，而与时钟速率无关。n容易看出，上升沿时间越小，膝频率越大，上升沿时 间越大，膝频率越小。数字信号重要的时域特性基本 上都是由Fknee频率以

9、及其以下的频率成分所决定。n两个重要结论： 任何电路若对频率Fknee及其以下频率有平坦的响 应曲线的话，那么信号通过此电路不会失真。数字电路对高于其Fknee以上的输入频率成分的相 应不会影响到对正常的低于Fknee的信号的处理。膝频率的应用n膝频率只与数字信号的上升（tr）有关 ，与其它参数无直接关系，易于记忆 和使用。n膝频率只是对数字信号最高频率成分的 一个粗略估计，而不是对频谱成分的一 个精确描述。n膝频率是有局限性的。n任何电路若对频率Fknee及其以下频率有平的响 应曲线，那么信号通过此电路不会失真。n如果一个系统在Fknee频率以下的响应并不平坦 ，那么会对信号产生怎样的畸变呢

10、？要点：n电路的高频响应影响它对短时间事件的处理。n电路的低频响应影响它对长时间事件的处理。n数字信号的能量大都集中在它的膝频率以下的 频率范围。n电路在低于膝频率的频率范围的行为确定了它 对阶跃信号沿的处理。n电路在高于膝频率的频率范围的行为对其数字 信号的性能没有什么影响。1-3 时间与距离n电信号以光速传播。我们关心信号在具体电路中传输所 需要的时间，以及单位时间内传输的距离。也就是说： 单位传输延迟时间和传播速度。n导线和印刷电路板连线上的电信号，其传播速度取决于 它们周围的介质。 单位：in/ps; cm/ps; cm/ns。（1in = 2.54cm） r ：介电常数（相对介质常数

11、）。表征介质 材料在单位电场中存储的能量大小。真空中r 为1，其 它任何绝缘材料均大于1。n传播速度的倒数称为单位传输延迟时间，其数值正比于 材料介电常数的平方根。单位：ps/ in; ps/cm; ns/cm 。单位传输延迟时间n印刷电路板连线的单位传输延迟时间取决于两方面： 印刷电路板材料的介电常数：常用的FR-4印刷电路 板材料的介电常数为4.720。在高频时为4.5。计 算传输延迟时间时，使用其高频值：4.5。连线的几何形状决定了印刷电路板上的电场是被约 束在板上还是发散到周围的空气中。当电场被约束在 板上时，其等效介电常数较大，信号传输就慢。当电 路连线被上下两层地面板夹在中间时，其电场就完全 被约束在板内。对于典型的FR-4印刷电路板材料，等 效介电常数大约为4.5。印刷电路板外层的连线，其 电场一面向空气中分布，另一面存在于FR-4材料中。 其等效介电常数介于1 和4.5之间。所以外层连线上 的信号传播总是快于内层连线。两类PCB板连线的结构常用材料的介电常数和传输延迟时间要点：n传输延迟时间正比于介电常数的平方根。n电信号在空气中的单位传输延迟时间： 85ps/in （33.5ps/cm）。n信号在外层电路板连线的传输总是快于在内 层连线的传输。n电信号在铜线中的单位传输延迟时间约为： 50ps/cm （5ns/m）。