電子電路信號(hào)完整性及影響因素

1、第第1章章 基本知識(shí)基本知識(shí)n1-1 信號(hào)與信號(hào)完整性（signal integrity）n1-2 頻率與時(shí)間n1-3 時(shí)間與距離n1-4 集總系統(tǒng)與分布系統(tǒng)n1-5 -3db頻率與上升時(shí)間n1-6 四種電抗n1-7 高速數(shù)字系統(tǒng)中的電阻、電容和電感元件1-1 信號(hào)與信號(hào)完整性（signal integrity）n信號(hào)：使用非常廣泛。從信息論的角度，信號(hào)是信息的一種物理體現(xiàn)，是信息的載體。廣義地信號(hào)定義為一個(gè)隨時(shí)間（和位置）變化的物理量。n模擬信號(hào)：在規(guī)定的連續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)，信號(hào)幅度值可以取連續(xù)范圍的任意數(shù)值。簡單地講：是指時(shí)間和幅度均是連續(xù)的物理量。n數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和幅度上都量化后取得的信號(hào)

2、。它是以某種時(shí)間間隔依次出現(xiàn)的數(shù)字序列。簡單地講：是指時(shí)間和幅度均是離散的物理量。一一. 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)1. 理想的數(shù)字信號(hào)理想的數(shù)字信號(hào) 數(shù)學(xué)模型1： 數(shù)學(xué)模型2：2. 實(shí)際的數(shù)字信號(hào)實(shí)際的數(shù)字信號(hào)n上升時(shí)間（tr）: 數(shù)字信號(hào)上升沿中對(duì)應(yīng)滿幅度 電 壓 的 1 0 % 9 0 % 處 的 時(shí) 間 間 隔 。n下降時(shí)間（tf）: 數(shù)字信號(hào)下降沿中對(duì)應(yīng)滿幅度 電 壓 的 9 0 % 1 0 % 處 的 時(shí) 間 間 隔 。n上沖（overshoot）:上沖又被稱為過沖。它指的是沿著信號(hào)邊沿的跳變方向，信號(hào)波形中超出穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。對(duì)于上升沿，是從“0”到“1”的跳變，在高電

3、平處高于邏輯電平“1”穩(wěn)定電壓值的部分。對(duì)于下降沿，這應(yīng)是從“1”到“0”的跳變，在低電平處低于邏輯電平“0”電壓穩(wěn)定值的部分。n下沖（undershoot）:又稱反沖。指信號(hào)在過沖后，又沿著跳變方向的反方向，信號(hào)波形越過穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。對(duì)于上升沿，即：從“0”到“1”的跳變，信號(hào)上沖后，反過來又低于邏輯電平“1”的穩(wěn)定電壓值的部分。對(duì)于下降沿，即：從“1”到“0”的跳變，信號(hào)過沖后，反過來又高于邏輯電平“0”的電壓穩(wěn)定值的部分。占空比（duty cycle）：時(shí)鐘信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的高低電平的時(shí)間寬度之比。一般用百分比來表示，如果信號(hào)脈寬t,周期t,則占空比為（t/t*10

4、0）。n振鈴（ring）:信號(hào)發(fā)生連續(xù)多次的上沖和下沖所形成的震蕩。其振幅應(yīng)是一次比一次小，逐漸趨于零。n噪聲容限（noise margin） ：是量度邏輯電路在最壞工作條件下的抗干擾能力的直流電壓指標(biāo), 它規(guī)定了ecl電路在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)允許的最大噪聲。定義為最差輸入邏輯電平值(vihmin或vilmax)與在這種輸入條件下所能保證的最差輸出邏輯電平值(vohmin或vol max)之差。這里有兩個(gè)噪聲容限定義：表示高電平狀態(tài)時(shí)的噪聲容限, 表示低電平狀態(tài)時(shí)的噪聲容限。二. 信號(hào)完整性n信號(hào)完整性涉及到兩個(gè)方面：信號(hào)波形的完整性和時(shí)序的完整性。n信號(hào)波形的完整性：經(jīng)常提及的術(shù)語即上述的五個(gè)基本概

5、念，這就是：信號(hào)的上升時(shí)間；下降時(shí)間；上沖；下沖；振鈴；以及接收端的信號(hào)還存在多大的噪聲容限。n時(shí)序完整性主要關(guān)注的是同步時(shí)序方程是否能滿足。經(jīng)常涉及到是時(shí)序偏差（skew）和抖動(dòng)(jitter)的概念。n時(shí)序偏差：時(shí)序信號(hào)的理想“沿變”和實(shí)際上的“沿變” 之差。n在實(shí)際系統(tǒng)中，造成時(shí)序信號(hào)的“沿變”與理想“沿變”存在差別的一個(gè)主要原因是邏輯器件的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間上存在著差別。因此，人們也常直觀地將時(shí)序偏差定義為器件輸出時(shí)序信號(hào)的傳輸延遲之差。n兩類時(shí)序偏差：從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有可能引起時(shí)序信號(hào)的實(shí)際“沿變”與理想的“沿變”不同?？梢苑譃閮深?/p>

6、。n內(nèi)部時(shí)序偏差（intrinsic skew）：由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號(hào)延遲上的差別。n外部時(shí)序偏差（extrinsic skew）：由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別。n時(shí)序抖動(dòng)：當(dāng)實(shí)際信號(hào)的邊沿與理想時(shí)序邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時(shí)，而且這種變化是隨機(jī)的，這種現(xiàn)象就是我們常說的時(shí)序抖動(dòng)，或者說時(shí)序晃動(dòng)。這種偏離相對(duì)于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，時(shí)序抖動(dòng)的數(shù)值表示通常有兩種： 1. 時(shí)鐘抖動(dòng)的最大值，即峰-峰值（peak-peak），單位：ps 2. 時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（），單位：psn數(shù)字信號(hào)

7、的邊沿抖動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的影響可以認(rèn)為是一種動(dòng)態(tài)行為，或者說其影響是隨機(jī)的，對(duì)系統(tǒng)性能破壞更大，尤其是時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)，常常是制約高速數(shù)字系統(tǒng)性能的根本因素。實(shí)際的數(shù)字信號(hào)實(shí)際的數(shù)字信號(hào)要點(diǎn)：n在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際的數(shù)字波形必須考慮。既：要保持信號(hào)的完整性。n信號(hào)完整性涉及到兩個(gè)方面：波形完整性和時(shí)序完整性。n波形完整性要素： 上升和下降時(shí)間. 上沖和下沖. 振鈴. 噪聲容限. 占空比n時(shí)序完整性要素： 同步時(shí)序方程. 時(shí)序偏差. 時(shí)序噪聲1-2 頻率與時(shí)間n電路元件的參數(shù)對(duì)頻率敏感，在不同的頻率范圍內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出來不同的特性。任何一種電參數(shù)，其數(shù)值僅在一定的頻率范圍內(nèi)有效。考慮兩個(gè)極端情況：1.

8、一個(gè)頻率為10 -12的正弦波 波形變化一個(gè)周期需要3萬年；若輸入到ttl電路，其輸出電壓每天變化不到1mv (1年3.15107秒)。任何一個(gè)包含這樣低頻率的半導(dǎo)體器件的試驗(yàn)都會(huì)以失敗而告終。2. 一個(gè)頻率為10 12的正弦波 信號(hào)周期為1ps，數(shù)字電路根本無法響應(yīng)這個(gè)信號(hào)。 一些電路參數(shù)發(fā)生變化。如地線的電阻由于趨膚效應(yīng)由0.01（1khz）變?yōu)? ，還有50 的感應(yīng)電抗。膝頻率與上升時(shí)間n任何數(shù)字信號(hào)的膝頻率只與數(shù)字信號(hào)的上升（任何數(shù)字信號(hào)的膝頻率只與數(shù)字信號(hào)的上升（t tr r）和）和下降沿時(shí)間（下降沿時(shí)間（t tf f）有關(guān)，而與時(shí)鐘速率無關(guān)。）有關(guān)，而與時(shí)鐘速率無關(guān)。n容易看出，上

9、升沿時(shí)間越小，膝頻率越大，上升沿時(shí)間越大，膝頻率越小。數(shù)字信號(hào)重要的時(shí)域特性基本上都是由fknee頻率以及其以下的頻率成分所決定。n兩個(gè)重要結(jié)論：兩個(gè)重要結(jié)論： 任何電路若對(duì)頻率fknee及其以下頻率有平坦的響應(yīng)曲線的話，那么信號(hào)通過此電路不會(huì)失真。 數(shù)字電路對(duì)高于其fknee以上的輸入頻率成分的相應(yīng)不會(huì)影響到對(duì)正常的低于fknee的信號(hào)的處理。膝頻率的應(yīng)用n膝頻率只與數(shù)字信號(hào)的上升（tr）有關(guān)，與其它參數(shù)無直接關(guān)系，易于記憶和使用。n膝頻率只是對(duì)數(shù)字信號(hào)最高頻率成分的一個(gè)粗略估計(jì)，而不是對(duì)頻譜成分的一個(gè)精確描述。n膝頻率是有局限性的。n任何電路若對(duì)頻率fknee及其以下頻率有平的響應(yīng)曲線，那

10、么信號(hào)通過此電路不會(huì)失真。n如果一個(gè)系統(tǒng)在fknee頻率以下的響應(yīng)并不平坦，那么會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生怎樣的畸變呢？要點(diǎn)：n電路的高頻響應(yīng)影響它對(duì)短時(shí)間事件的處理。n電路的低頻響應(yīng)影響它對(duì)長時(shí)間事件的處理。n數(shù)字信號(hào)的能量大都集中在它的膝頻率以下的頻率范圍。n電路在低于膝頻率的頻率范圍的行為確定了它對(duì)階躍信號(hào)沿的處理。n電路在高于膝頻率的頻率范圍的行為對(duì)其數(shù)字信號(hào)的性能沒有什么影響。1-3 時(shí)間與距離n電信號(hào)以光速傳播。我們關(guān)心信號(hào)在具體電路中傳輸所需要的時(shí)間，以及單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)木嚯x。也就是說：單位傳輸延遲時(shí)間和傳播速度。n導(dǎo)線和印刷電路板連線上的電信號(hào)，其傳播速度取決于它們周圍的介質(zhì)。 單位：in/

11、ps; cm/ps; cm/ns。（1in = 2.54cm） r r ：介電常數(shù)（相對(duì)介質(zhì)常數(shù)）。表征介質(zhì)材料在單位電場中存儲(chǔ)的能量大小。真空中r r 為1，其它任何絕緣材料均大于1。n傳播速度的倒數(shù)稱為單位傳輸延遲時(shí)間，其數(shù)值正比于材料介電常數(shù)的平方根。單位：ps/ in; ps/cm; ns/cm 。prcvrdtc單位傳輸延遲時(shí)間n印刷電路板連線的單位傳輸延遲時(shí)間取決于兩方面：印刷電路板材料的介電常數(shù)：常用的fr-4印刷電路板材料的介電常數(shù)為4.720。在高頻時(shí)為4.5。計(jì)算傳輸延遲時(shí)間時(shí)，使用其高頻值：4.5。 連線的幾何形狀決定了印刷電路板上的電場是被約束在板上還是發(fā)散到周圍的空氣中。當(dāng)電場被約束在板上時(shí)，其等效介電常數(shù)較大，信號(hào)傳輸就慢。當(dāng)電路連線被上下兩層地面板夾在中間時(shí)，其電場就完全被約束在板內(nèi)。對(duì)于典型的fr-4印刷電路板材料，等效介電常數(shù)大約為4.5。印刷電路板外層的連線，其電場一面向空氣中分布，另一面存在于fr-4材料中。其等效介電常數(shù)介于1 和