什么是信号完整性

什么是信号完整性◆

作者:佚名来源:网络点击数: 320 日期:2007-10-17 15:19:32

问题：什么是信号完整性？信号完整性是什么意思？

信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。

信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

信号完整性的一些基本概念

传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时也被称为延迟线。

集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。

上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间,通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间,记为Tr。

截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0. 5/Tr）,记为Fknee,一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时,与线长和信号传播速度有关,记为tPD。

微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。

带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。

趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时,流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

反射（Reflection）：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表示。

过冲/下冲（Over shoot/under shoot）：过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个谷值或峰值。

振荡：在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃（Ringing）和环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。

匹配（Termination）：指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。

串扰：串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰,这种干扰是由于传输线之间的互感

五款信号完整性仿真工具介绍

现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 (一)Ansoft公司的仿真工具现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题： SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。 (二)SPECCTRAQuest Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块： Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具：（1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在PCB详细设计前使用此工具，对互连线的不同情况进行仿真，把仿真结果存为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。（2）DF/Signoise工具是信号仿真分析工具，可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、IBIS 模型库的设置开发功能。SigNoise是SPECCTRAQUEST SI Expert和SQ Signal Explorer Expert进行分析仿真的仿真引擎，利用SigNoise可以进行反射、串扰、SSN、EMI、源同步及系统级的仿真。（3）DF/EMC工具——EMC分析控制工具。（4）DF/Thermax——热分析控制工具。 SPECCTRAQuest中的理想高速PCB设计流程：由上所示，通过模型的验证、预布局布线的space分析、通过floorplan制定拓朴规则、由规

Altium Designer中进行信号完整性分析

在高速数字系统中，由于脉冲上升/下降时间通常在10到几百p秒，当受到诸如内连、传输时延和电源噪声等因素的影响，从而造成脉冲信号失真的现象；在自然界中，存在着各种各样频率的微波和电磁干扰源，可能由于很小的差异导致高速系统设计的失败；在电子产品向高密和高速电路设计方向发展的今天，解决一系列信号完整性的问题，成为当前每一个电子设计者所必须面对的问题。业界通常会采用在PCB制板前期，通过信号完整性分析工具尽可能将设计风险降到最低，从而也大大促进了EDA设计工具的发展…… 信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题是指高速数字电路中，脉冲形状畸变而引发的信号失真问题，通常由传输线不阻抗匹配产生的问题。而影响阻抗匹配的因素包括信号源的架构、输出阻抗(output impedance)、走线的特性阻抗、负载端的特性、走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式可以采用端接(termination)与调整走线拓朴的策略。信号完整性问题通常不是由某个单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同作用的结果。信号完整性问题主要表现形式包括信号反射、信号振铃、地弹、串扰等； 1，Altium Designer信号完整性分析（机理、模型、功能）在Altium Designer设计环境下，您既可以在原理图又可以在PCB编辑器内实现信号完整性分析，并且能以波形的方式在图形界面下给出反射和串扰的分析结果。 Altium Designer的信号完整性分析采用IC器件的IBIS模型，通过对版图内信号线路的阻抗计算，得到信号响应和失真等仿真数据来检查设计信号的可靠性。Altium Designer的信号完整性分析工具可以支持包括差分对信号在内的高速电路信号完整性分析功能。 Altium Designer仿真参数通过一个简单直观的对话框进行配置，通过使用集成的波形观察仪，实现图形显示仿真结果，而且波形观察仪可以同时显示多个仿真数据图像。并且可以直接在标绘的波形上进行测量，输出结果数据还可供进一步分析之用。 Altium Designer提供的集成器件库包含了大量的的器件IBIS模型，用户可以对器件添加器件的IBIS模型，也可以从外部导入与器件相关联的IBIS模型，选择从器件厂商那里得到的IBIS 模型。 Altium Designer的SI功能包含了布线前（即原理图设计阶段）及布线后（PCB版图设计阶段）两部分SI分析功能；采用成熟的传输线计算方法，以及I/O缓冲宏模型进行仿真。基于快速反射和串扰模型，信号完整性分析器使用完全可靠的算法，从而能够产生出准确的仿真结果。布线前的阻抗特征计算和信号反射的信号完整性分析，用户可以在原理图环境下运行SI仿真功能，对电路潜在的信号完整性问题进行分析，如阻抗不匹配等因素。更全面的信号完整性分析是在布线后PCB版图上完成的，它不仅能对传输线阻抗、信号反射和信号间串扰等多种设计中存在的信号完整性问题以图形的方式进行分析，而且还能利用规则检查发现信号完整性问题，同时，Altium Designer还提供一些有效的终端选项，来帮助您选择最好的解决方案。 2，分析设置需求在PCB编辑环境下进行信号完整性分析。为了得到精确的结果，在运行信号完整性分析之前需要完成以下步骤：

于博士信号完整性分析入门-初稿

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什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。下面谈谈几种常见的信号完整性问题。反射：图1显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配，奥，对了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的

于博士信号完整性分析入门(修改)

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信号完整性需要重视的几大关键问题

信号完整性需要重视的几大关键问题信号完整性是许多设计人员在高速数字电路设计中涉及的主要主题之一。信号完整性涉及数字信号波形的质量下降和时序误差，因为信号从发射器传输到接收器会通过封装结构、PCB走线、通孔、柔性电缆和连接器等互连路径。当今的高速总线设计如LpDDR4x、USB 3.2 Gen1 / 2(5Gbps / 10Gbps)、USB3.2x2(2x10Gbps)、PCIe和即将到来的USB4.0(2x20Gbps)在高频数据从发送器流向接收器时会发生信号衰减。本文将概述高速数据速率系统的信号完整性基础知识和集肤效应、阻抗匹配、特性阻抗、反射等关键问题。随着硅节点采用10nm、7nm甚至5nm工艺，这可以在给定的芯片尺寸下实现高集成度并增加功能。在移动应用中，趋势是更高的频率和更高的数据速率，并降低工作核心电压如0.9v、0.8V、0.56V甚至更低以优化功耗。在较低的工作电压下以较高的频率工作会使阈值电平或给定位数据的数据有效窗口变小，从而影响走线和电源层分配功率以及“眼图”的闭合度。由较高频率和较低工作电压引起的闭眼，增加了数据传输误差的机会，因而增加了误码率，这就需要重新传输数据流。重传会导致处理器在较长时间处于有源模式以重传数据流，这会导致移动应用更高的功耗并减少使用日(DOU)。

图1. 频率和较低电压对眼图张开的影响在给定的高频设计中增加其它设计挑战如信号衰减、反射、阻抗匹配、抖动等时，很明显，信号损耗使接收器难以正确译出信息，从而增加了误差的机会。数据流中的时钟采样在接收器处，数据是在参考时钟的边缘处采样的。眼图张开越大，就越容易将采样CLK设置在给定位的中间以采样数据。任何幅值衰减、反射或任何抖动，都将使眼图更闭合并使数据有效窗口和有效位时间变得更窄，从而导致接收端出现误差。图2. CLK采样现在，让我们检查何时需要将通道或互连视为传输线，并查看在智能手机或平板电脑等系统中传输损耗的一些主要原因。

信号完整性分析基础系列之一——眼图测量

信号完整性分析基础系列之一 ——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。全分为上、下两篇。上篇包括一、二部分。下篇包括三、四部分。您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。 “在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码

信号完整性学习笔记

期待解决的问题： 1.为何AC耦合电容放在TX端； 2.为何有的电源或地平面要挖掉一块； 3.搞清楚反射； 4.搞清楚串扰； 5.搞清楚地弹； 6.搞清楚眼图； 7.搞清楚开关噪声； 8.各种地过孔的作用； 9.写一份学习总结。自己总结：从微观的角度讲，信号完整性研究的是电子在电场和磁场的作用下是如何运动的，以及这种运动会造成哪些电气特性产生什么变化。从宏观的角度讲，信号完整性研究的是如何保证信号从源端传送到终端的过程中，失真的程度在要求的范围内。

第1章四类基本信号完整性问题： 1、单一网络的信号质量：在信号路径和返回路径上由阻抗突变而引起的反射和失真。 2、两个或多个网络间的串扰：理想回路和非理想回路耦合的互电容和互电感。 3、电源分配系统中的轨道塌陷：电源和地网络中的阻抗压降。 4、来自元件或系统的电磁干扰。阻抗： 1、任何阻抗突变，都会引起电压信号的反射和失真。 2、信号的串扰，是由相邻线条及其返回路径之间的电场和磁场的耦合引起的，信号线间的互耦合电容和互耦合电感的阻抗决定了耦合电流的值。 3、电源供电轨道的塌陷，与电源分布系统（PDS）的阻抗有关。 4、最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此电流由地平面上的电压引起。在电缆周围使用铁氧体扼流圈，增加共模电流所受到的阻抗，从而减小共模电流。

第2章时域与频域频谱：在频域中，对波形的描述变为不同正弦波频率值的集合。每个频率值都有相关的幅度和相位。把所有这些频率值及其幅度值的集合称为波形的频谱。（在频域中，描述波形的方法）频域中的频谱表示的是时域波形包含的所有正弦波频率的幅度。计算时域波形频谱的唯一方法是傅立叶变换。即使每个波形的时钟频率相同，然而他们的上升时间可能不同，因此带宽也不同。每个严肃认真的工程师都应该至少用手工计算一次傅立叶积分来观察它的细节。带宽：表示频谱中有效的最高正弦波频率分量。把频谱中更高频率的分量都去掉，也能充分近似时域波形的特征。信号的带宽就是幅度比理想方波幅度小3dB（50%）的那个最高频率。上升时间与时钟周期什么关系？原则上讲，两者之间的唯一约束是：上升时间一定小于周期的50%。

高速电路中的信号完整性问题

高速电路中的信号完整性问题许致火（07级信号与信息处理学号 307081002025) 1 信号完整性问题的提出一般来讲，传统的低频电路设计对于电子工程师并不是多么复杂的工作。因为在低于30MHz的系统中并不要考虑传输线效应等问题，信号特性保持完好使得系统照常能正常工作。但是随着人们对高速实时信号处理的要求，高频信号对系统的设计带来很大的挑战。电子工程师不仅要考虑数字性能还得分析高速电路中各种效应对信号原来面目影响的问题。输入输出的信号受到传输线效应严重的影响是我们严峻的挑战之一。在低频电路中频率响应对信号影响很小，除非是传输的媒介的长度非常长。然而伴随着频率的增加，高频效应就显而易见了。对于一根很短的导线也会受到诸如振玲、串扰、信号反射以及地弹的影响，这些问题严重地损害了信号的质量，也就是导致了信号完整性性能下降。 2 引起信号完整性的原因 2.1 传输线效应众所周知，传输线是用于连接发送端与接收段的连接媒介。传统的比如电信的有线线缆能在相当长的距离范围内有效地传输信号。但是高速的数字传输系统中，即使对于PCB电路板上的走线也受到传输线效应的影响。如图1所示，对于不同高频频率的PCB板上的电压分布是不同的。图 1 PCB在不同频率上的电压波动

因为低频电路可以看成是一个没有特性阻抗、电容与电感寄生效应的理想电路。高速电路中高低电平的快速切换使得电路上的走线要看成是阻抗、电容与电感的组合电路。其等效电路模型如图2所示。导线的阻抗是非常重要的概念，一旦传输路径上阻抗不匹配就会导致信号的质量下降。图 2 传输线等效电路模型由图2的模型可得电报方程： 2.2 阻抗不匹配情况信号源输出阻抗（Zs）、传输线上的阻抗（Zo）以及负载的阻抗（ZL）不相等时，我们称该电流阻抗不匹配。也这是说信号源的能量没有被负载全部吸收，还有一部分能量被反射回信号源方向了。反射后又被信号源那端反射给负载，除了吸收一部分外，剩下的又被反射回去。这个过程一直持续，直到能量全部被负载吸收。这样就会出现过冲与下冲(Overshoot/Undershoot)、振铃(ring)、阶梯波形(Stair-step Waveform)现象，这些现象的产生导致信号出现错误。当传输媒介的特性阻抗与负载终端匹配时，阻抗就匹配了。对于PCB板来说，我们可以选取合适的负载终端策略及谨慎地选择传输介

信号完整性分析基础系列之二十四

信号完整性分析基础系列之二十四——关于抖动（上）美国力科公司深圳代表处汪进进写在前面的话抖动话题是示波器测量的最高境界，也是最风云变换的一个话题，这是因为抖动是示波器测量的诸多功能中最和“数学”相关的。玩数学似乎是需要一定境界的。 “力科示波器是怎么测量抖动的?”，“这台示波器抖动测量准不准?”，“时钟抖动和数据抖动测量方法为什么不一样？”，“总体抖动和峰峰值抖动有什么区别? ”，“余辉方法测量抖动不是最方便吗？”，“抖动和眼图，浴盆曲线之间是什么?”，…… 关于抖动的问题层出不穷。这么多年来，在完成了“关于触发（上）、（下）”和“关于眼图（上）、（下）”，“关于S参数（上）（下）”等三篇拙作后，我一直希望有一篇“关于抖动”的文章问世，但每每下笔又忐忑而止，怕有谬误遗毒。今天，当我鼓起勇气来写关于抖动的时候，我需要特别说明，这是未定稿，恳请斧正。抖动和波形余辉的关系有一种比较传统的测量抖动的方法，就是利用余辉来查看信号边沿的变化，然后再用光标测量变化的大小（如图1所示），后来更进了一步，可以利用示波器的“余辉直方图”和相关参数自动测量出余辉的变化范围，这样测量的结果就被称为“抖动”。这个方法是在示波器还没有“测量统计”功能之前的方法，但在90年代初力科发明了测量统计功能之后，这个方法就逐渐被淘汰了。图1 传统的抖动测量方法这种传统的方法有下面这些缺点：（1）总会引入触发抖动，因此测量的结果很不准确。（2）只能测量某种参数的抖动，譬如触发上升沿，测量下降沿的余辉变化，反应了宽度的抖动，触发上升沿，测量相邻的上升沿的余辉变化，反应了周期的抖动。显然还有很多类型的抖动特别是最重要的TIE抖动无法测量出来。（3）抖动产生的因果关系的信息也无从得知。定义抖动的四个维度和抖动相关的名词非常多：时钟抖动，数据抖动; 周期抖动，TIE抖动，相位抖动，cycle-cycle抖动; 峰峰值抖动(pk-pk jitter)，有效值抖动(rms jitter);总体抖动(Tj)，随机抖动(Rj)，固有抖动(Dj);周期性抖动，DCD抖动，ISI抖动，数据相关性抖动; 定时抖动，基于误码率的抖动; 水平线以上的抖动和水平线以下的抖动…… 这些名词反应了定义抖动的不同维度。回到“什么是抖动”的定义吧。其实抖动的定义一直没有统一，这可能也是因为需要表达清楚这个概念的维度比较多的原因。目前引用得比较多的定义是: Jitter is defined as the short-term variations of a digital signal’s significant instants from their ideal positions in time. 就是说抖动是信号在电平转换时，其边沿与理想位置之间的偏移量。如图2所示，红色的是表示理想信号，实际信号的边沿和红色信号边沿之间的偏差就是抖动。什么是“理想位置”，“理想位置”是怎么得到的？这是被问到后最不好回答的问题。

信号完整性分析

信号完整性背景信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是 IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。在高速PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。

信号完整性含义信号完整性(Signal Integrity)简称SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:

allegro SI 信号完整性仿真介绍

基于Cadence Allegro SI 16.3的信号完整性仿真信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一因素导致的，而是由板级设计中多种因素共同引起的。特别是在高速电路中，所使用的芯片的切换速度过快、端接元件布设不合理、电路的互联不合理等都会引起信号的完整性问题。具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。信号完整性问题由多种因素引起，归结起来有反射、串扰、过冲和下冲、振铃、信号延迟等，其中反射和串扰是引发信号完整性问题的两大主要因素。反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样，就是信号在传输线上的回波现象。此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同，反射电压可能为正，也可能为负。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接收数据错误。如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。因此也就把它分为感性串扰和容性串扰，分别引发耦合电流和耦合电压。当信号的边沿速率低于1ns时，串扰问题就应该考虑了。如果信号线上有交变的信号电流通过时，会产生交变的磁场，处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。在Cadence 的信号仿真工具中可以同时对6条耦合信号线进行串扰后仿真，可以设置的扫描参数有：PCB 的介电常数，介质的厚度，沉铜厚度，信号线长度和宽度，信号线的间距．仿真时还必须指定一个受侵害的信号线，也就是考察另外的信号线对本条线路的干扰情况，激励设置为常高或是常低，这样就可以测到其他信号线对本条信号线的感应电压的总和，从而可以得到满足要求的最小间距和最大并行长度。过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号跳变，也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效，严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。在Cadence的信号仿真软件中，将以上的信号完整性问题都放在反射参数中去度量。在接收和驱动器件的IBIS模型库中，我们只需要设置不同的传输线阻抗参数、电阻值、信号传输速率以及选择微带线还是带状线，就可以通过仿真工具直接计算出信号的波形以及相应的数据，这样就可以找出匹配的传输线阻抗值、电阻值、信号传输速率，在对应的PCB软件Allegro中，就可以根据相对应的传输线阻抗值和信号传输速率得到各层中相对应信号线的宽度(需提前设好叠层的顺序和各参数)。选择电阻匹配的方式也有多种，包括源端端接和并行端接等，根据不同的电路选择不同的方式。在布线策略上也可以选择不同的方式：菊花型、星型、自定义型，每种方式都有其优缺点，可以根据不同的电路仿真结果来确定具体的选择方式。

信号完整性分析基础之八——抖动的频域分析

在上两篇文章中，我们分别介绍了直方图（统计域分析）和抖动追踪（时域分析）在抖动分析中的应用。从抖动的直方图和抖动追踪波形上我们可以得到抖动的主要构成成分以及抖动参数的变化趋势。如需对抖动的构成做进一步的分析，还需要从频域角度去进一步分析抖动的跟踪波形。抖动的频谱即是对抖动追踪（jitter track）波形做FFT运算。如下图1所示为一个时钟周期测量参数的追踪、频谱分析步骤及效果，在抖动频谱图上可以清楚的看出某两个频率值点抖动比较大：图1 抖动频谱黄色为实际采集到的时钟波形（C1通道） P1测量C1通道时钟信号的时钟周期 F7函数对P1测量参数进行跟踪 F6对F7进行FFT分析下图2所示为一典型的串行信号抖动追踪频谱图，从图中可看出各种抖动成分；DDj和Pj为窄带频谱（三角形谱或者谱线）但是DDj和Pj的区别是由于DDj是和码型相关的，其频率fDDJ一般会是数据位率的整数倍，如果Pj的频率fPJ正好等于fDDJ，那么从抖动的频谱图里面是很难将DDj和Pj精确的分开的，所以通常在抖动分解的过程中一般通过时域平均的方法来分解DDj；BUj主要由于串扰等因素引起的，一般分为两种，一种是窄带，但幅度较高，很显然这类BUJ也是很难和PJ区分开的，除非我们知道引起BUJ的源头，知道其频率，所以说我们在抖动测试时得到的PJ一般会包含这类BUJ(所以通常情况下对这类BUJ不加区分，直接算做PJ，而将BUJ分类为PJ和OBUJ，在之前的抖动分类文章中有提及)；另外一类是宽带的BUJ（很多时候也叫OBUJ，other bounded uncorrelated jitter），幅度很小，基本会埋没到RJ中去，这类抖动很容易被误算作RJ，目前使用在示波器上的抖动分解软件只有Lecroy最近推出的SDAII（基于NQ-SCALE抖动分解理论）能够较好的将这类抖动从Rj中剥离出来；RJ是宽带频谱，幅度很小。

信号完整性问题

二信号的完整性问题及解决办法两个方面（时序和电平）信号完整性(Signal Integrity)是指信号未受到损伤的一种状态，它表示信号质量和信号传输后仍保持正确的功能特性。良好的信号完整性是指在需要时信号仍能以正确的时序和电压电平值作出响应。随着高速器件的使用和高速数字系统设计越来越多，系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加。在这种设计中，系统快斜率瞬变和工作频率很高，电缆、互连、印制板(PCB)和硅片将表现出与低速设计截然不同的行为，即出现信号完整性问题。信号完整性问题能导致或者直接带来信号失真，定时错误，不正确数据、地址和控制线以及系统误工作甚至系统崩溃，解决不好会严重影响产品性能并带来不可估量的损失，已成为高速产品设计中非常值得注意的问题。信号完整性问题的真正起因是不断缩减的信号上升与下降时间。一般来说，当信号跳变比较慢即信号的上升和下降时间比较长时，PCB中的布线可以建模成具有一定数量延时的理想导线而确保有相当高的精度。此时，对于功能分析来说，所有连线延时都可以集总在驱动器的输出端，于是，通过不同连线连接到该驱动器输出端的所有接收器的输入端在同一时刻观察都可得到相同波形。然而，随着信号变化的加快，信号上升时间和下降时间缩短，电路板上的每一个布线段由理想的导线转变为复杂的传输线。此时信号连线的延时不能再以集总参数模型的方式建模在驱动器的输出端，同一个驱动器信号驱动一个复杂的PCB连线时，电学上连接在一起的每一个接收器上接收到的信号就不再相同。从实践经验中得知，一旦传输线的长度大于驱动器上升时间或者下降时间对应的有效长度的1/6，传输线效应就会出来，即出现信号完整性问题，包括反射、上冲和下冲、振荡和环绕振荡、地电平面反弹和回流噪声、串扰和延迟等。表1列出了高速电路设计中常见的信号完整性问题，以及可能引起该信号完整性的原因，并给出了相应的解决方法。目前，解决信号完整性问题的方法主要有电路设计、合理布局和建模仿真。电路设计中，通常采用以下方法来解决信号完整性问题：·控制同步切换输出数量，控制各单元的最大边沿速率(dI/dt和dV/dt)，从而得到最低且可接受的边沿速率；·为高输出功能块(如时钟驱动器)选择差分信号；·在传输线上端接无源元件(如电阻、电容等)，以实现传输线与负载间的阻抗匹配。端接策略的选择应该是对增加元件数目、开关速度和功耗的折中，且端接串联电阻R或RC电路应尽量靠近激励端或接收端。布线非常重要，设计者应该在不违背一般原则的前提下，利用现有的设计经验，综合多种可能的方案，优化布线，消除各种潜在的问题。一方面要充分利用现有的、已经过验证的布线经验，将它们应用于布线工作中；另一方面要积极利用一些信号完整性方面的仿真工具，约束、指导布线。合理进行电路建模仿真是最常见的信号完整性解决方法。在高速电路设计中，仿真分析越来越显示出优越性。它给设计者以准确、直观的设计结果，便于及早发现问题，及时修改，从而缩短设计时间，降低设计成本。在进行电路建模仿真过程中，设计者应对

五款信号完整性仿真分析工具

SI五款信号完整性仿真工具介绍 (一)Ansoft公司的仿真工具现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题： SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。 (二)SPECCTRAQuest Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块： Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具：（1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在

高速信号与信号完整性分解

什么是高速数字信号？高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号，而高频信号是针对信号频率而言的。高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。错误的概念是：8KHz帧信号为低速信号。多高的频率才算高速信号？当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号. 对于数字电路，关键是看信号的边沿陡峭程度，即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小于6倍导线延时,就是高速信号! 即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。信号完整性研究：什么是信号完整性? 时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击:1813次信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量，当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题，信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。 1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法：问题可能原因解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面

信号完整性之初识信号反射

信号完整性之初识信号反射版本号更改描述更改人日期 1.0 第一次撰稿 eco 2013-10-19 E-mial：zhongweidianzikeji@https://www.360docs.net/doc/e316312294.html, QQ：2970904654 反射产生的原因在《和信号完整性有关的几个概念》中我们已经简单的介绍了“反射”这厮。在下认为 “信号反射”在电路中是不可避免的，不论是高速电路还是低速电路。而我们只能用一些办法去优化电路，去优化PCB的布局布线，从而降低反射的大小或者在信号反射时避免对电路的操作。为什么信号反射无法完全消除，在高速和低速电路中都会存在，在下鄙见如下： V = 3x10^8 / sqrξ 式1 其中：V是带状线中信号传播的速度（m/s），3x10^8是光速(m/s)，ξ是介电常数。由式1可知，信号的传播速度只与物质的介电常数有关，在基材相同的情况下，不论在高速电路中还是在低速电路中信号都会以相同的速度传播。在基材为FR4的电路板中，介电常数ξ一般为4左右，由式1我们可以计算出信号的传播速度V = 3x10^8 / sqr(4) = 1.5x10^8 m/s,转换单位后约为6in/ns，这就是为什么很多资料上喊信号在FR4材料中的传播速度为6in/ns（注：1mil = 0.0254mm； 1inch = 25.4mm。对于这个单位转化，感兴趣的人一定要自己计算计算，享受过程可以让你更快乐更智慧哦）。1.5x10^8 m/s（6in/ns）速度极快了吧，设想山间小溪，小溪中的水流以1.5x10^8 m/s流动，流动中突遇一石头便会荡起无数涟漪，迸射无数水花。溪中这块石头意味着阻抗失配。综上所述，我们姑且把这水流现象近似看作电路中的信号反射。为了给大家一个直观的感受，在下从网上找了两张图片，见图1、图2。很多时候有些东西是说不清道不明的，关键看大家如何去想，如何去悟。我建议大家应该看着这个水流冥想一下。图1 这就是电流

信号完整性分析基础系列之一__关于眼图测量(全)

信号完整性分析基础系列之一_——关于眼图测量(全) 您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Sigtest 的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。 “在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出：（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。