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在微电子技术和电路与系统技术迈向新的发展阶段的今天，高速电路信号完整性(Signal Integrity，SI)分析和设计有其特殊重要性，在某种程度上已成为新一代高速、超高速系统分析和设计体系中的瓶颈。信号完整性问题作为高速电路设计的重要内容已经成为当今电路设计者无法回避的问题，设计者不能再继续像以往对待低速电路那样仅仅专注于电路的逻辑功能设计了，而必须切实理解信号完整性原理，有效融入信号完整性设计方法，才能充分保证高速电路的功能和性能。高速电路设计的本质就是信号完整性设计，解决高速电路的信号完整性问题是设计好高速电路系统的关键所在。一般认为，当系统工作在100 MHz时，就会产生信号完整性问题。事实上，信号完整性问题是由于信号上升时间和/或下降时间太短引起的，工作在低频的系统如果信号或时钟的上升或下降时间过短，也可能会存在信号完整性问题。另外，随着系统和器件工作频率的不断攀升，为了保证足够长的信号稳定时间，必然也会造成信号上升时间和下降时间的缩短，信号完整性问题也就会愈发突出。从设计的角度看，高速数字电路的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)设计虽然是基于其原理电路的，但由于PCB设计过程不可避免地会引入各种分布参数，PCB设计过程在不知不觉中更改了其相应电路的原理设计，电路所用元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等都可能会引起信号完整性问题，从而导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。如何在PCB设计过程中充分考虑信号完整性因素，进一步优化原理设计，进而在PCB设计过程中采取有效控制措施，已经成为高速数字电路设计者必须面对的问题。激烈的市场竞争要求一个产品从设计到投放市场的时间越短越好，但在产品研发过程中往往要花费大量的时间来解决信号完整性问题，这也是信号完整性问题越来越受到关注的主要原因。在高速电路的原理设计和PCB设计时，充分考虑信号完整性问题，有助于提高产品设计的首件成功率，缩短产品研发周期，降低开发成本。广义上的信号完整性包含了由互连线引起的、影响信号正确接收的所有问题，主要研究互连线上电压与电流信号相互作用时，其电气特性参数如何影响产品性能。如果信号从驱动端沿互连线传输到接收端后有正确的时序和幅度，则该电路具有较好的信号完整性；反之，当信号由于失真而不能被正确响应时，就出现了信号完整性问题。高速电路信号完整性分析前言所有信号完整性问题都至少与反射、串扰、电源和地分配网络中的轨道塌陷，以及电磁干扰(ElectroMagnetic Interference，EMI)与辐射这四个噪声源中一个有关。大多数信号完整性问题本质上都是来自传输线阻抗。传输线阻抗是一段互连线的基本电气特性，它描述了信号所感受到的互连线电气特征以及信号与互连线间相互作用。在“高速”领域，从电气性能的角度看，封装和互连对于信号不再是既没有阻抗也没有延迟的透明连接了，信号的传输过程受到了芯片、封装、电路板、接插件和连线电缆等所有互连设计及所用材料的分布参数的影响。分布参数是客观存在但又不易被准确测量的一组物理量，具有显著的频率相关性，其基本表现就是传输线对低频信号的近乎“透明”的传输和对高频信号的损耗和延迟。高速电路设计过程在客观上是一个充满直觉的过程，解决问题的灵感往往源自良好的电学知识素养和丰富的工程实践经验，这是设计者设计直觉即想象力和创造性的源泉。“有两种工程师，一种是对信号完整性问题有着清晰认识的工程师，另一种是对信号完整性问题不明就里、人云亦云的工程师。” 经验积累固然重要，但对于原因的清晰探究更加重要。科学研究是不断地追求原因的过程，理论分析可以帮助设计者解释现象、预测结果，为设计者及时纠正错误提供有效支撑，有助于缩短设计周期、降低生产成本。目前，很多高速数字系统的时钟已经远远超过100 MHz，信号上升时间和下降时间也大大缩短，信号完整性问题使得首件产品很难做到一次成功。原来在低频领域起到透明连接作用的键合线、封装引线、芯片引脚、电路板上器件间的连接线条、接插件、连接电缆等，都成了信号完整性问题的来源。为此，要求设计人员必须具有良好的电学理论功底，对电学知识具有体系性的掌握，这样才能对互连线带来的“分布参数效应”的形成机理有准确的认知和把握，并在此基础上对设计过程中发现的各种信号完整性问题进行有针对性的分析和解决。因此，研究信号完整性相关理论具有十分重要的理论及实践意义。目前，高速电路信号完整性分析在国内外已受到广泛的重视，并已然成为一个研究热点。国外对于高速数字电路的信号完整性问题已经进行了一些比较深入的研究，通过对互连系统进行建模仿真，基于电磁学、电路以及信号处理等基础理论知识，获得了很多建设性结论；通过对大量实际产品的设计验证，基于实践经验数据，总结出了一套具有实用价值的经验准则。Intel、IBM、Sun等国际领先的半导体企业，在十几年前就设立了专门的SI部门，分配大量的人力物力专门研究高速系统的SI、PI (Power Integrity)和EMI问题,在这些方面的投入也使得它们一直处于半导体产业的领先地位，牢牢垄断了整个高端电子产品行业。国内对信号完整性的研究已经起步，近年来，华为、中兴等大型通信电子企业相继设立了SI部门，专门从事高速电路的仿真、分析与设计，已然取得了一些骄人的成绩。台湾地区对SI的研究起步较早，当地通信电子行业借助这种先发优势，在通信电子产品的生产、研发方面达到了世界领先水平。SI问题一方面具有较强的实践性，另一方面又与电磁学、电路和信号处理等基础理论知识密切相关。本书从电磁学的基础理论出发，深入浅出地阐述了与信号完整性相关的电磁学、电路和信号处理等基础理论知识，从理论和实践两个层面，详细探讨了高速电路信号完整性设计中的一些现实问题，详细论述了单一网络的信号完整性、两个或多个网络间的串扰、电源和地分配中的轨道塌陷及整个系统的电磁干扰和辐射等四类噪声源的成因，并给出了相应的解决方案。本书的编写融电学理论的体系性与工程实践的经验性于一体，侧重于引导读者建立完善的电学知识体系，充分认识电路高速效应的机理，结合工程实践，有效培养设计直觉。本书共8章，第1章，电路与信号。本章阐述电路与信号的本质，基于“场”的思维，运用“路”的方法研究信号的本质，以便更好地理解信号完整性效应。第2章，电阻、电容和电感。第3章，传输线。第2章研究电阻、电容和电感的电气特性，第3章研究传输线的电气特性，目的是进一步固化信号完整性设计直觉的理论基础。第4章，反射与端接。反射的最直接的原因就是传输线上的阻抗突变。在高速电路中，除了由于设计不良会引入阻抗突变之外，还存在很多非故意阻抗突变。本章研究的目的是准确预测阻抗突变，选择合适的设计和端接方案设计阻抗可控互连线，并尽可能保持信号受到的阻抗恒定。第5章，传输线的串扰。在高速数字系统设计中，串扰现象非常普遍，当前随着客户需求的提高，数字系统正向着尺寸更小、速度更快的方向飞速发展，串扰更成为设计人员的一个回避不了的问题，所以，理解串扰的机理、掌握解决串扰问题的方法，对设计人员来说至关重要。第6章，差分对。差分对是指用来传输差分信号的一对耦合传输线。差分互连得到了越来越广泛的应用，目前几乎所有的高速信号都使用差分互连。鉴于此，研究差分互连的电气特性显得尤为重要。第7章，电源分配系统。在高速数字系统中，稳定可靠的电源供应至关重要。电源完整性质量直接影响最终PCB板的信号完整性和电磁兼容性的好坏，因此，要认真设计电源分配系统( Power Distribution System， PDS)，尽量减少电源噪声。第8章，辐射和干扰。信号完整性问题的根源也是电磁干扰的根源，前面讨论的降低反射、串扰的设计方法和提高电源完整性的相关技术，同时也是减弱噪声源的有效方法。干扰传输通道包括辐射和传导两种。辐射耦合包括场线耦合、孔缝耦合、以TEM波的形式传播的天线对天线耦合等。传导型干扰的传导路径包括电阻性、电容性、电感性的直接传导性耦合、通过公共地等传导的公共阻抗耦合、通过互容/互感传导的线间近场耦合。

编者2018年4月

1电路与信号(1)

1.1电磁场理论(1)

1.1.1麦克斯韦方程组的一般形式(1)

1.1.2稳恒场中的麦克斯韦方程(4)

1.1.3无界均匀导电媒质中的时谐平面电磁波(7)

1.1.4良导体的趋肤效应(12)

1.2电磁场理论与电路理论(14)

1.2.1准静态场近似(14)

1.2.2集总化的假设(18)

1.2.3电压和电流(22)

1.2.4电路基本元件(23)

1.2.5电路基本定律(26)

1.3信号的本质(29)

1.3.1正弦波(29)

1.3.2傅里叶变换(31)

1.3.3信号的频谱特征与上升时间(36)

1.3.4信号带宽与上升时间(40)

1.3.5互连线的带宽(45)

2电阻、电容和电感(47)

2.1电阻(47)

2.1.1直流电阻、交流电阻与电导(47)

2.1.2导体的表面阻抗(49)

2.1.3电阻率、电导率和复电导率(49)

2.1.4介质材料的漏电阻(50)

2.1.5电阻元件的频率特性(52)

2.2电容(54)

2.2.1电容的定义(54)

2.2.2电容的电路方程(56)

2.2.3部分电容(56)

2.2.4平行板电容(58)

2.2.5介电常数、等效介电常数和复介电常数(59)

2.2.6电容元件的频率特性(62)

2.3电感(63)

2.3.1电感的定义(64)

2.3.2回路自感和回路互感(65)

2.3.3局部自感和局部互感(68)

2.3.4磁导率(69)

2.3.5电感元件的频率特性(71)

2.3.6交流电感(72)

3传输线(75)

3.1时谐信号驱动下的传输线(75)

3.2传输线的分布参数(77)

3.3均匀传输线分析(78)

3.3.1均匀传输线方程(79)

3.3.2均匀传输线方程的解(80)

3.4均匀传输线的传输特性(82)

3.5均匀传输线的反射系数(87)

3.6均匀无耗传输线(88)

3.7均匀传输线的阻抗(95)

4反射与端接(99)

4.1阻抗的非故意突变(99)

4.2反射形成的机理(105)

4.3多次反射与反弹图(108)

4.4理想状态下的反射(109)

4.5上升时间、线长与反射(117)

4.6电抗性负载的反射(125)

4.6.1容性负载的反射(125)

4.6.2感性负载的反射(136)

4.7端接策略(148)

5传输线的串扰(158)

5.1互感和互容(158)

5.2前向串扰和后向串扰(159)

5.3串扰分析(162)

5.3.1容性串扰(162)

5.3.2感性串扰(167)

5.3.3模态与远端串扰(169)

5.4传输线间距和3W原则(177)

5.5保护线和分流线(180)

6差分对(186)

6.1差分信号与共模信号(186)

6.2差分阻抗和共模阻抗(187)

6.3返回平面与差分阻抗(189)

6.4差分信号和共模信号的端接(191)

6.5差分信号向共模信号的转化(194)

6.6动态线对差分对的串扰(195)

6.7返回路径中的间隙(196)

7电源分配系统(198)

7.1同步开关噪声(198)

7.1.1芯片内部开关噪声(199)

7.1.2芯片外部开关噪声(200)

7.2电源分配系统阻抗设计(202)

7.3电容退耦原理(205)

7.3.1从储能的角度说明(205)

7.3.2从阻抗的角度说明(206)

7.3.3电源、地平面和去耦电容(210)

7.4从电源系统的角度进行去耦设计(212)

7.4.1目标阻抗(212)

7.4.2需要的电容量(212)

7.4.3相同容值电容并联(214)

7.4.4不同容值电容的并联与反谐振(215)

7.4.5ESR对反谐振的影响(216)

7.4.6参考平面层的作用(218)

8辐射和干扰(219)

8.1辐射干扰的产生机理及抑制方法(219)

8.1.1差模辐射(220)

8.1.2共模辐射(223)

8.1.3天线接收原理(225)

8.2共模抑制技术 (226)

8.3屏蔽原理(232)

8.4磁屏蔽(235)

8.5电磁屏蔽(237)

8.6屏蔽体上的孔缝(239)

参考文献(244)