电子电路信号完整性及影响因素教学案例
第12章 信号完整性分析
• 信号基值（Signal Base Value）规则 • 信号基值与信号高电平是相对应的，它定义了线路上信号在低电平状 态下所允许的最大稳定电压值，也即是信号的最大基值，系统默认单 位是伏特，如图所示。
• 飞升时间的上升沿（Flight Time-Rising Edge）规则 • 飞升时间的上升沿定义了信号上升边沿允许的最大飞行时间，也即是 信号上升边沿到达信号设定值的50%时所需的时间，系统默认单位是 秒，如图所示。
• 信号下冲的上升沿（Undershoot-Rising Edge）规则 • 信号下冲的上升沿与信号下冲的下降沿是相对应的，它定义了信号上升边沿允许的 最大下冲值，也即信号上升沿上低于信号上位值的阻尼振荡，系统默认单位是伏特， 如图所示。
• 阻抗约束（Impedance）规则 • 阻抗约束定义了电路板上所允许的电阻的最大和最小值，系统默认单 位是欧姆。阻抗和导体的几何外观以及电导率，导体外的绝缘层材料 以及电路板的几何物理分布，也即导体间在Z平面域的距离相关。上 述的绝缘层材料包括板的基本材料、多层间的绝缘层以及焊接材料等。 • 信号高电平（Signal Top Value）规则 • 信号高电平定义了线路上信号在高电平状态下所允许的最小稳定电压 值，也即是信号上位值的最小电压，系统默认单位是伏特，如图所示。
5．“Period Time”：设置激励信号的周期。 设置激励信号的时间参数，在输入数值的同时，要注意添加时间单位， 以免设置出错。 • 信号过冲的下降沿（Overshoot-Falling Edge）规则 • 信号过冲的下降沿定义了信号下降边沿允许的最大过冲位，也即信号 下降沿上低于信号基值的最大阻尼振荡，系统默认单位是伏特，如图 所示。 • 信号过冲的上升沿（Overshoot-Rising Edge）规则 • 信号过冲的上升沿与信号过冲的下降沿是相对应的，它定义了信号上 升边沿允许的最大过冲值，也即信号上升沿上高于信号上位值的最大 阻尼振荡，系统默认单位是伏特，如图所示。 • 信号下冲的下降沿（Undershoot-Falling Edge）规则 • 信号下冲与信号过冲略有区别。信号下冲的下降沿定义了信号下降边 沿允许的最大下冲值，也即信号下降沿上高于信号基值的阻尼振荡， 系统默认单位是伏特，如图所示。
电子技术专业电子线路与电路分析优秀教案范本
电子技术专业电子线路与电路分析优秀教案范本尊敬的教师们：本教案针对电子技术专业的电子线路与电路分析课程，旨在帮助学生全面理解电子线路的基本原理和电路分析的方法与技巧。
通过优秀的教案设计，能够激发学生的学习兴趣并提高他们的学习效果。
以下是我为你们准备的一份电子线路与电路分析的优秀教案范本：第一节：电子线路基础知识概述1. 目标：引导学生了解电子线路的基本概念和相关术语，并能够简单分析电子线路的组成和特点。
2. 内容：- 电子线路的定义和分类- 电子线路的基本组成元件及其特点- 电子线路的符号表示法3. 授课方法：结合多媒体展示和实例分析进行互动式授课，提醒学生注意各种电子线路在实际应用中的重要性。
第二节：电子线路的分析方法1. 目标：让学生掌握电子线路的分析方法和技巧，能够根据电子线路的特性进行准确的电路分析。
2. 内容：- 电流和电压的基本概念- 基尔霍夫定律及其应用- 节点电压法和支路电流法的原理和步骤- 网孔分析法的基本思想和操作步骤3. 实践环节：引导学生通过简单的电路实例，使用上述分析方法进行电路分析，培养学生的实际操作能力。
第三节：复杂电路的分析与设计1. 目标：提高学生对复杂电路分析与设计的能力，掌握混合信号电路的分析方法。
2. 内容：- 电子线路的组合与简化- 多级放大电路的设计与分析- 集成电路的应用与原理3. 实验实践：组织学生进行实验，通过构建多级放大电路和使用集成电路进行信号处理，加深学生对复杂电路的理解和应用。
第四节：电子线路故障诊断与维修1. 目标：培养学生的电子线路故障诊断与维修能力，提高实际应用水平。
2. 内容：- 常见电子线路故障的诊断方法- 故障维修的基本原则和技巧- 电子线路测试仪器的使用与操作3. 实践实验：组织学生进行故障模拟实验，引导学生通过仪器检测和分析，并解决电子线路故障。
第五节：电子线路的创新设计1. 目标：培养学生的创新思维和电子线路设计能力，激发学生的创造力和想象力。
讲座四信号完整性分析
讲座四 信号完整性分析
4．降低串扰的设计技术
串绕是不可能完全消除的，只能在PCB设计中尽量减小串扰。 通常减小串绕的设计技术如下： 1)根据功能分类逻辑器件系列，保持总线结构被严格控制； 2)避免互相平行的走线布线，走线间要有足够的间隔以最小化 电感耦合； 3)使用相对介电常数较低的叠层； 4)最小化元件间的距离； 5)最小化并行走线的长度；
讲座四 信号完整性分析
4．4．1 信号反射的形成 当传输线上的阻抗不连续时会导致信号 反射。这种不连续可以是走线宽度的变化、 网络终端的不匹配、缺少终端、T型连接器 或二分支走线、布线层间的导孔、变化的 负载和逻辑器件、大电源平面不连续、转 换连接器、走线阻抗的变化等。
讲座四 信号完整性分析
4．4．2 阻抗匹配与端接技术
讲座四 信号完整性分析
2．串扰的特性 1)串扰是线间的信号耦合，在串扰存在的信 号线中，干扰源常常也是被干扰对象，而 被干扰对象同时也是干扰源。 2)串扰分为后向串扰和前向串扰两种，传输 线上任意一点的串扰为二者之和。 3)对于传输周期信号的信号线，串扰也是周 期性的。
讲座四 信号完整性分析
针对以上这些串扰的特性，可以归纳出几种减小串扰的主要 方法： 1)加大线间距，减小走线平行长度，必要时可以以jog方式 走线； 2)串扰大小与线间距成反比，与线平行长度成正比； 3)串扰随电路中负载的变化而变化，对于相同的拓扑结构 和布线情况，负载越大，串扰越大； 4)高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配可以减 小或消除反射，从而减小串扰； 5)对于微带传输线和带状传输线，将走线高度限制在高于 地线平面lOmil以内，可以显著减小串扰；
讲座四 信号完整性分析
４．３信号完整性分析模型
印制电路板设计的S1分析模型
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决引言：在现代电子设备中，信号完整性是一个至关重要的问题。
由于信号的传输速度越来越高，信号完整性问题变得尤为突出。
本文将分析信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题在电路设计中的重要性，并介绍一些常见的SI问题及其解决方法。
一、信号完整性的重要性信号完整性是指在信号传输过程中保持信号波形的准确性和完整性，确保信号的正确传递和解读。
如果信号受到干扰、衰减或失真，可能会导致数据的错误传输或丢失。
这对于各种电子设备，尤其是高速数据传输的系统来说，都是一项极其重要的考虑因素。
二、常见的SI问题1. 反射干扰反射干扰是信号在多个传输线之间传播时产生的一种干扰现象。
当信号到达传输线末端时，一部分信号能够反射回来，与输入信号相叠加，引起波形失真。
这种干扰主要由于阻抗不匹配引起。
2. 串扰干扰串扰干扰是指在多条相邻的传输线上，信号在传输过程中相互影响的现象。
这种干扰主要由于电磁场相互耦合引起，导致信号波形失真，降低信号质量。
3. 时钟抖动时钟抖动是指时钟信号在传输中出现的随机时移现象。
时钟抖动可能导致时序错误，使系统无法正确同步，进而影响整个系统的性能。
三、SI问题的解决方法1. 降低阻抗不匹配为了解决反射干扰问题，可以通过匹配传输线和负载的阻抗，减少信号反射。
采用合适的终端电阻，可以使信号在传输线上的反射最小化。
2. 优化布线方式在设计电路板布线时，应尽量避免传输线之间的相互干扰。
合理安排和分隔传输线的布局，使用屏蔽层和地平面层等技术手段，可有效减少串扰干扰。
3. 使用信号完整性分析工具借助信号完整性分析工具，可以模拟和分析信号在电路板上的传输过程，帮助发现潜在的SI问题。
通过调整设计参数，优化电路板布线，可以提前预防并解决SI问题。
4. 时钟校准技术对于时钟抖动问题，可以采用时钟校准技术来调整时钟信号的时序和相位。
通过使用高精度的时钟源和时钟校准电路，可以有效减少时钟抖动带来的问题。
《信号完整性培训》课件
解决方法
通过在传输线的末端添加 终端电阻来匹配阻抗，消 除反射。
信号串扰
信号串扰定义
当信号在传输线中传播时 ，会受到相邻信号线的干 扰，产生串扰。
串扰产生的影响
串扰会导致信号质量下降 、误码率增加，严重时会 导致通信失败。
解决方法
通过合理布线、增加线间 距、使用屏蔽线等措施来 减小串扰。
信号时序
加强信号完整性测试和测量技 术的研究，提高测试精度和效
率。
探索新的信号完整性设计方法 和优化技术，提高设计效率和
可靠性。
加强信号完整性与其他领域的 交叉研究，如通信、控制、人 工智能等，开拓新的应用领域
。
THANKS
感谢观看
02
它涉及到信号在电路中传输时所 受到的各种影响，如噪声、干扰 、衰减、延迟等。
信号完整性的重要性
保证电路的正常工作
信号完整性的好坏直接影响到电路的 正常工作，如果信号在传输过程中出 现失真或畸变，可能会导致电路工作 异常或出现故障。
提高系统性能
降低系统成本
避免因信号问题导致的系统故障和维 修成本，从而降低整个系统的成本。
合理选择传输线
根据信号类型和传输速率，选择合适的传输 线类型和规格。
使用适当的端接方式
根据传输线的类型和长度，选择合适的端接 方式，如串联端接、并联端接等。
优化布线策略
通过合理的布线，减少信号延迟和反射，提 高信号质量。
抑制电磁干扰
通过增加屏蔽、使用滤波器等手段，降低电 磁干扰对信号的影响。
设计实例分享
示波器和逻辑分析仪
用于捕获和观察信号波形，分析信号的时序和幅度。
网络分析仪和频谱分析仪
用于测量信号的频率响应和传输特性。
电气工程中的信号完整性分析
电气工程中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，电气工程领域的发展日新月异。
从智能手机到超级计算机，从医疗设备到航空航天系统，电子设备在我们的生活中无处不在。
而在这些复杂的电子系统中，信号完整性成为了确保设备性能稳定、可靠运行的关键因素。
信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其准确性、完整性和及时性的能力。
如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就可能导致系统性能下降、误码率增加、甚至系统故障。
因此，对电气工程中的信号完整性进行深入分析和研究具有极其重要的意义。
首先，让我们来了解一下信号完整性问题产生的原因。
信号在传输线上传播时，会遇到各种阻抗不匹配的情况。
比如，当信号从驱动源输出，经过传输线到达负载时，如果驱动源的输出阻抗、传输线的特性阻抗和负载的输入阻抗不匹配，就会引起信号的反射。
反射的信号会与原信号叠加，导致信号波形失真。
此外，相邻传输线之间的电磁耦合会产生串扰，使得相邻信号之间相互干扰。
同时，传输线的损耗会导致信号的衰减，从而影响信号的强度和质量。
为了分析信号完整性问题，我们需要一些重要的工具和技术。
时域反射计（TDR）就是其中之一。
TDR 可以通过向传输线发送一个快速上升的脉冲，并测量反射回来的脉冲，来确定传输线中的阻抗不连续点和故障位置。
另一个常用的工具是示波器，它可以直观地显示信号的波形，帮助我们观察信号的失真、噪声等问题。
此外，还有一些仿真软件，如ADS、HFSS 等，可以在设计阶段对电路进行建模和仿真，预测可能出现的信号完整性问题，并提前采取优化措施。
在实际的电气工程应用中，信号完整性问题在高速数字电路中尤为突出。
随着数字信号的频率不断提高，信号的上升时间和下降时间变得越来越短，这对信号传输的要求也越来越高。
例如，在计算机主板上，高速的总线信号需要在严格的时序要求下进行传输，如果出现信号完整性问题，可能会导致数据传输错误，影响计算机的性能。
在通信系统中，高速的射频信号也需要保持良好的完整性，以确保信号的质量和传输距离。
信号完整性验证个案分析
信号完整性验证个案分析就有关信号完整性方面的问题同大多数的电路板设计工程师们探讨，他们都会喋喋不休地说个不停，告诉你设计高速电路板是如何复杂如何危险。
他们会告诉你系统时钟超出50MHZ时，板上的信号互联会导入时序路径上的信号延时，而这些信号延时会制约板级设计的性能。
他们也会跟你描述传输线效应将如何迅速地导入类似于信号震荡、过冲和下冲这样严重的信号完整性问题，以及这些问题将如何威胁到设计的噪声容限和设计的单调一致性原理。
更有甚者信号串扰和电磁辐射的出现会严重破坏设计电路板的正常工作。
同样的问题可能得到不同的回答。
如果接触的恰恰是那些还在从事低速电路板设计的工程师，他们通常只是耸耸肩膀以示无奈。
低速电路板设计中应对潜在的信号完整性问题通常采取被动应付的传统策略，就是为设计制定合适的设计约束条件。
当一些特殊的信号通道已经出现象信号串扰或者电磁干扰这样一来严重的信号完整性问题时，通常设计工程师们总是为设计的某一部分甚至可能就是整个设计本身加入严格的物理约束。
即便这种解决方案还能满足一时之需，设计工程师也得为此付出昂贵的代价。
约束设计通常会提升最终的产品成本并且制约产品性能。
举例来说，设计工程师可能苦于找不到一个合适的位置来实现某一个特定的信号互联，而被迫增加信号板层。
然而在今天高度激烈的市场竞争中，能否做到成本最小、能否提供独到的产品性能往往意味着产品是成功还是失败。
最近一个著名的网络设备提供商的设计工程师采用Innoveda公司研发的信号完整性分析工具集XTK为他们研制的路由器产品上的一块电路板实施信号分析。
分析的结果令人震惊。
尽管该电路板工作正常，然而十分苛刻的设计规则导致实施该电路板设计需要24个电路板层，才可以避开信号完整性问题。
分析结果表明该设计严重过约束，事实上该电路板设计仅需要8个电路板层即可以加工实现，与此同时还不会介入信号完整性问题。
改进后的产品仅电路板的生产制造成本一项就节省费用高达两百万美元。
电路板级的信号完整性问题和仿真分析
电路板级的信号完整性问题和仿真分析摘要：今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题已成为PCB设计者必须面对的问题。
信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。
由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路开关速度的加快，产生了信号完整性问题。
常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。
这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。
传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。
使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。
这里以Altium Designer 6.0工具为例，介绍分析解决部分信号完整性问题的方法。
关键词：信号完整性 Altium Designer 6.0 仿真分析[中图分类号] O59 [文献标识码] A [文章编号] 1000-7326（2012）04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。
随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。
特别是IC芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。
但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。
这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。
为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟电路中，采用的是单频或窄频带信号，我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。
元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。
但是今天，随着GHz时代的到来，很多IC的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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。
2020/9/24
• 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：
2020/9/24
一. 数字信号
1. 理想的数字信号
数学模型1： 数学模型2：
2020/9/24
• 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 于逻辑电平“0”电压稳定值的部分。
2020/9/24
• 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。
2020/9/24
2020/9/24
二. 信号完整性
• 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。
• 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；振铃；以及接收端的信 号还存在多大的噪声容限。
2020/9/24
• 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。
2020/9/24
1-2 频率与时间
• 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。
2020/9/24
考虑两个极端情况：
1. 一个频率为10 -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＝ 3.15×107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
2020/9/24
• 时序偏差：时序信号的造成时序信号的“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。
2020/9/24
• 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。
• 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 V出 两IL噪 逻 个ma声 辑 噪x)与。 电 声在定 平 容这义值限种为定(V输最义OH入差：min条输表或件入示V下O逻高L所辑电ma能电平x)之保平 状差证值 态。的(时V这最的IHm里差噪in有输或声 容限, 表示低电平状态时的噪声容限。
第1章 基本知识
• 1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity） • 1-2 频率与时间 • 1-3 时间与距离 • 1-4 集总系统与分布系统 • 1-5 -3dB频率与上升时间 • 1-6 四种电抗 • 1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件
2020/9/24
1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）
实际的数字信号
2020/9/24
要点：
• 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。
• 信号完整性涉及到两个方面：波形完整性和时 序完整性。
• 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
• 时序完整性要素： 同步时序方程. 时序偏差. 时序噪声
• 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。
• 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。
• 数字信号：在时间和幅度上都量化后取得的信号。 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。
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0.01Ω（1KHz）变为1 Ω ，还有50 Ω 的感应电抗。
2020/9/24
膝频率与上升时间
• 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。
• 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频率以及其以下的频率成分所决定。
1. 时钟抖动的最大值，即峰-峰值（Peak-Peak），单位：ps 2. 时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（σ），单位：ps • 数字信号的边沿抖动，对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。
2020/9/24
2020/9/24
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％）。
2020/9/24
• 振铃（Ring）:信号发生连续多次的上冲和下 冲所形成的震荡。其振幅应是一次比一次小， 逐渐趋于零。