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1、高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材电子工业出版社教材配套电子教案配套电子教案高速信号完整性的基本理论第二章第二章高速信号完整性的基本理论高速信号完整性的基本理论 l基本电磁理论基本电磁理论 l高速电路基本知识高速电路基本知识l信号完整性的基本概念信号完整性的基本概念高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论 l麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 经经典典电电磁磁理理论论的的基基石石是是麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组，它它是是描描述述一一切切宏宏观观电电磁磁现现象的基本规律。象的基本规律。 麦克斯韦方程组如下：麦克斯韦方程组如下： 微分形式微分形式 积分形式积分形式高速信号完整性的基本
2、理论基本电磁理论基本电磁理论高频时的一些效应：高频时的一些效应：集肤效应：在高频情况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还集肤效应：在高频情况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还不足良导体中一个波长的距离内，电磁波已受到显著衰减，所以高频电不足良导体中一个波长的距离内，电磁波已受到显著衰减，所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象称为集肤效应。磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象称为集肤效应。近邻效应：当通有相反方向电流的两邻近导体，在相互靠近的两侧面最近邻效应：当通有相反方向电流的两邻近导体，在相互靠近的两侧面最近点电流密度最大；当两载流导体电流方向相同时
3、，则两外侧面的最远近点电流密度最大；当两载流导体电流方向相同时，则两外侧面的最远点电流密度最大。点电流密度最大。高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论 l传输线理论传输线理论 广义传输线是导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们组成的广义传输线是导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们组成的导行系统。我们一般所讨论的传输线是指微波传输线，是长线理论，即导行系统。我们一般所讨论的传输线是指微波传输线，是长线理论，即当传输线的几何尺寸与电磁波的波长可以相比拟时，必须考虑传输线的当传输线的几何尺寸与电磁波的波长可以相比拟时，必须考虑传输线的分布参数分布参数(或称为寄生参数或称为寄生
4、参数)。 基本传输线理论：当传输线是长线时，即传输信号速率或频率达到一定基本传输线理论：当传输线是长线时，即传输信号速率或频率达到一定值时，传输信号的通道上的分布参数必须考虑。值时，传输信号的通道上的分布参数必须考虑。 集成传输线理论：集成传输线包括微带线、带状线、耦合线和各种共面集成传输线理论：集成传输线包括微带线、带状线、耦合线和各种共面波导。波导。高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论l匹配理论匹配理论阻抗匹配理论阻抗匹配理论 ：要使信号在传输线上无反射传输，即：要使信号在传输线上无反射传输，即信号能量完全被负载所吸收，则传输线的负载阻抗与传信号能量完全被负载所吸收，则传输线的
5、负载阻抗与传输线的特性阻抗相等，即输线的特性阻抗相等，即Z ZL L = Z = Z0 0 = Z= Zinin，使线上电压与，使线上电压与电流为行波，此种匹配称为阻抗匹配。电流为行波，此种匹配称为阻抗匹配。 高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论(a)输出/输入功率关系 图(b)阻抗匹配关系图 高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论阻抗变换器的设计原理阻抗变换器的设计方法，根据使用元件及工作频率高低，大致可分为无 源元件型和传输线型两种。这里仅就无源元件型的设计进行说明。无源元件型电路是利用电感及电容来设计的。根据工作频宽的大小，基本上可分为： (1) L型 (2) T型
6、 (3) 型高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论 (a)L型匹配电路(RSRL) (b) L型匹配电路(RSRL) 高速信号完整性的基本理论基本电磁理论基本电磁理论 T型匹配电路 型匹配电路 高速信号完整性的基本理论高速电路基本知识高速电路基本知识l 时间与频率、时域与频域时间与频率、时域与频域l 时间与距离时间与距离l 集总系统集总系统l 带宽与上升时间带宽与上升时间 l 四种电抗四种电抗高速信号完整性的基本理论信号完整性的基本概念信号完整性的基本概念 信号完整性信号完整性(Signal Integrity, SI)主要讨论的是信号沿主要讨论的是信号沿导线传输后的质量和时序问题。导线传输后的质量和时序问题。 通常，需要解决的信号完整性问题包括：通常，需要解决的信号完整性问题包括： （1）反射）反射(Reflection) （2）串扰）串扰(Crosstalk) （3）过冲）过冲(Overshoot)和下冲和下冲(Undershoot) （4）振铃）振铃(Ringing) （5）地平面反弹噪声）地平面反弹噪声(Ground Bounce)与同时开关噪声与同时开关噪声(SSN) （6）电源分配）电源分配 （7）时序问题）时序问题 （8） EMI问题问题高速信号完整性的基本理论
