高速数字设计和信号完整性--传输线理论
传输线理论及信号完整性分析
信号完整性分析（Signal Integrity） SI的四种分析、描述手段和途径
传输线理论
多长的走线才是传输线？ 这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速 度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于 信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。 对于传输时间<信号上升时间的线路，由于对信号的影响 微乎其微，所以在此不做讨论。 假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是 PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开 路。 在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns 时间，信号在线条上还是走了6英寸。
*这个很容易理解，线之间的间距大，其分布电容电感之间的影响就小，电 磁场耦合也会变小
2.在满足阻抗要求的情况下，应该使传输线和参考平面间的距离越小 越好（减小H）。这样做会让传输线和参考平面更紧密的耦合，减少 临近线的干扰 3.对于关键信号（例如时钟信号）用差分走线，如果系统设计允许的 话
*差分信号的共模抑制好，能有效的抑制临近线的干扰。但是很多时候系统 设计就是单端模式。 *设计中要尽量减小H，但也不是无限制的，还受到制造工艺的限制。
传输线理论与
信号完整性分析
一、传输线理论
§1.什么是传输线
什么是传输线呢？任何2个有长度的导体就是传输线，如下图所示。 对于传输线，要彻底忘记“地”的概念，所谓的地不过是信号的 返回路径。所以传输线就是由信号路径和其返回路径构成的.
信号在传输线上的传播速度到底是多少呢？假定传输线介质的介电常数为4.空 气中信号的速度为 3000, 000km每秒，即30cm/nsec.那么在介质中的速度 就为 :
信号完整性分析（Signal Integrity）
第2章传输线理论
j z
1 2Z0
(U1
I1Z0 )e
j z
(2―2―14)
同样可以写成三角函数表达式
U (z)
U1 cos z
jZ0
sin z
I
(
z)
j
U1 Z0
sin
z
I1
cos
z
(2―2―15)
第2章 传输线理论
三、入射波和反射波的叠加 由式(2―2―5)和式(2―2―6)两式可以看出,传输线 上任意位置的复数电压和电流均有两部分组成,即有
U (z)
A1e j z
A2e j z
Ui(z) Ur(z)
I
(z)ຫໍສະໝຸດ 1 Z0A1e j z
1 Z0
A2e j z
Ii(z)
Ir(z)
(2―2―16)
第2章 传输线理论
根据复数值与瞬时值的关系,并假设A1、A2为实数, 则沿线电压的瞬时值为
u(z,t) Re[U (Z )e ji ] A1 cos(t z) A2 cos(t z)
式中v0为光速。由此可见,双线和同轴线上行波电
压和行波电流的相速度等于传输线周围介质中的光速,
它和频率无关,只决定周围介质特性参量ε,这种波称为
无色散波。
第2章 传输线理论
(三) 相波长λp
相波长λp是指同一个时刻传输线上电磁波的相位相 差2π的距离,即有
p
2
vp f
vpT
0 r
(2―3―5)
第2章 传输线理论
这种路的分析方法,又称为长线理论。事实上,“场” 的理论和“路”的理论既是紧密相关的,又是相互补充 的。有些传输线宜用“场”的理论去处理,而有些传输 线在满足一定条件下可以归结为“路”的问题来处理, 这样就可借用熟知的电路理论和现成方法,使问题的处 理大为简化。
第二章-传输线理论
第二章 传输线理论
根据传输线上的分布参数是否均匀分布，可将其分为 均匀传输线和不均匀传输线。我们可以把均匀传输线分割
成许多小的微元段dz (dz<<λ)，这样每个微元段可看作集 中参数电路，用一个Γ型网络来等效。于是整个传输线可
等效成无穷多个Γ型网络的级联
第二章 传输线理论
2 - 2 无耗传输线方程及其解 一、传输线方程
即：
( ) I (z) = Ii2e jβ z + Ir2e- jβ z = Ii2 e jβ z + e- jβ z = 2Ii2 cos β z
( ) u(z,t) =
2Ui2
sin
β
z cos ω t
+
φ 2
+π
2
i(z,t) =
2
Ii2
cos β
z cos(ω t
+
φ) 2
第二章 传输线理论
=
-
Ur (z) Ir (z)
=
R0 + jωL1 G0 + jωC1
对于无耗传输线( R0 = 0, G0 = 0 )，则
Z0 =
L1 C1
对于微波传输线 ,也符合。
平行双线 同轴线 特性阻抗
在无耗或低耗情况下，传输线的特性阻抗为一实数， 它仅决定于分布参数L1和C1，与频率无关。
第二章 传输线理论
l = (2n +1) λ (n = 0,1,2,)
4
1.传输线上距负载为半波长整数倍的各点的输入阻抗等于负载阻抗；
2.距负载为四分之一波长奇数倍的各点的输入阻抗等于特性阻抗的
平方与负载阻抗的比值；
3.当Z0为实数，ZL为复数负载时，四分之一波长的传输线具有变换阻 抗性质的作用。
传输线理论——【高速数字设计】
分支线长度>传输线临界长度 在分支点A，Z0’ = Z0 / N，N为分支数 在设计中应根据驱动器的驱动能力，严格限制使用
B
A
C
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16
负载驱动方式（1）
点对点
一个驱动器驱动一个负载 最好的传输方式 高速信号或时钟信号应尽可能采用此方式
串推
一个驱动器驱动多个负载 负载分布在传输线终端一定的范围内 分支线极短
高速数字设计和信号完整性分析
—— 传输线理论
基本概念
频V=率mf∕=0(6.5×∕1t0r -9)s
模型
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传输线理论
2
传输线基本特性
传输线的特性阻抗
传输线的时间延迟
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3
传输线分类
非平衡式传输线
平衡式传输线
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19
传输线损耗和信号质量
集肤效应 邻近效应 辐射损耗 介质损耗
流经导体外部介质中的漏电流将产生介质损耗
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20
谢谢
传输线理论
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负载效应（1）
直流负载和交流负载
低频设计中，电路的直流扇出能力一般都很强
高频设计中，电路的驱动能力主要指交流负载能力
最小间隔
A、B两点的反射波开始互相叠加时，它们之间的距离 LMIN称为最小间隔。
LMIN称为=0.85 Tr / Tpd 当A、B两点的距离为1/2 LMIN时，干扰能量最大
A
B
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14
信号完整性(SI)分析-9~10传输线与反射
反射和失真使信号质量下降。一些情况下，它们看起来 就像是振铃。引起信号电平下降的下冲可能会超过噪声容 限，造成误触发。图 8.1 示例了短传输线末端由阻抗突变 造成的反射噪声。
Voltage, V ── 电压，V
time，nsec ──时间，ns
图 8.1 在 1 in 长、阻抗可控互连线的接收端，由于阻抗不匹配和 多次反射而产生的“振铃”噪声。
第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短路， 即末端阻抗为 0。反射系数为(0 - 50) /(0 + 50) = -1。 1V 入射信号到达远端时，产生-1V 反射信号向源端传播。 短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之和， 即 1V + -1V＝0。这是合理的，因为如果此处是严格按定义 规定的短路，短路点两侧不可能有电压差。此处电压为 0V 的原因就是它是从源端出发的正向行波和返回源端的负向 行波之和。
高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析
(之9~10[八]：传输线与反射)
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
8.0
提示
引言
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将
被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一网络中多数信号完整 性问题产生的主要原因。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
reflected ──反射
incident── 入射
measured ──测量
图 8.4 如果区域 2 是开路，则反射系数
经常说信号到达传输线的末端时，其值翻倍。从数值上这是正确的，可实
际上发生的情况并非如此。总电压即两个行波之和虽然是入射电压的两倍，但是这样 说会引起错误的直觉。最好还是把末端电压看作入射电压与反射电压之和。
传输线理论
传输线理论
传输线理论，简称TLT，是有限的电子单元电流和电压的研究，构成电子系统的基础。
TLT是非常有用的，因为它可以帮助我们研究，设计和分析简单或复杂的电路，尤其是复杂的多路径电路，比如电磁波传输线和低频无线系统。
TLT涉及到不同电子元件的耦合和交互作用，这可能影响电路的性能。
TLT的研究可以从两个方面来看：对某种类型传输线的整体特性的理论分析，以及一种特定的传输线特性的数学模型。
首先，TLT涉及到分析整体电路特性，尤其是了解传输线阻抗和复数频率响应的表现。
传输线的阻抗取决于电流限制，因此，可以用它来确定一个传输线的最大功率。
此外，它也可以描述在特定频率下，传输线的特性是怎样的，也可以用这个技术来识别电路中的损耗和噪声。
其次，TLT提供了一种可以用数学模型来表征不同类型传输线的特性的方法。
通过用各种类型的装置，可以计算各个元件和电路参数，如电容或电感，可以进一步确定电路的性能。
TLT也可以用来模拟时变电路，以更准确地模拟传输线和系统的行为。
最后，TLT与其他领域的研究有着重大的关联性。
物理，光学和无线技术等领域，可以通过TLT来明确传输行为，以帮助提供更好的性能和更好的网络服务。
研究人员可以通过将机械和电气特性调整到要求的值，来改善系统的性能。
总而言之，TLT是一个非常有用的工具，可以在设计电路时，
帮助我们分析电路特性，并保证传输可靠性与质量。
它不仅可以帮助我们研究和开发出质量良好的电路，还可以用来表征传输线的性能，以帮助改善系统的性能，从而提供高质量的服务。
TLT的优点也可以用在更多其他领域，比如物理学，光学和无线电，从而实现更多的功能和更好的效果。
高速数字电路设计中的信号完整性分析
高速数字电路设计中的信号完整性分析在高速数字电路设计中，信号完整性分析是非常重要的一环。
信号完整性分析旨在确保信号在电路中能够准确、稳定地传输，从而避免信号失真或干扰，保证电路的性能和可靠性。
首先，我们需要了解信号完整性分析的基本概念。
信号完整性是指在一个电路中，信号从发送端到接收端能够保持原有的形态和正确的数值。
在高速数字电路设计中，信号往往受到许多因素的影响，如传输线特性、阻抗、反射、串扰等，这些因素都有可能导致信号失真。
因此，对信号完整性的分析和优化至关重要。
在进行信号完整性分析时，我们需要首先考虑传输线的特性。
传输线的特性包括传输速度、阻抗匹配、传输延迟等，这些特性直接影响信号传输的稳定性和速度。
通过对传输线的建模和仿真分析，可以帮助我们了解传输线对信号的影响，从而优化电路设计。
另外，阻抗匹配也是信号完整性分析中的重要内容。
当信号源和负载的阻抗不匹配时，会导致信号的反射和衰减，从而降低信号的质量和稳定性。
因此，在设计电路时，需要确保信号源和负载的阻抗能够有效匹配，以减少信号的失真和干扰。
此外，信号完整性分析还需要考虑信号的传输延迟和时序关系。
在高速数字电路中，信号传输的延迟会对数据的同步和稳定性产生影响。
通过时序分析和延迟优化，可以更好地控制信号的传输速度和有效减少时序误差。
最后，在进行信号完整性分析时，还需要考虑信号的功耗和信噪比。
功耗会影响电路的工作效率和稳定性，信噪比则会影响信号和噪声的比值，从而影响信号的准确性和清晰度。
因此，在设计电路时，需要综合考虑功耗和信噪比等因素，以实现信号的高质量传输。
总的来说，信号完整性分析是保证高速数字电路性能和可靠性的重要步骤。
通过对传输线特性、阻抗匹配、传输延迟、功耗和信噪比等方面的分析和优化，可以更好地保证信号在电路中的准确传输，避免信号失真和干扰，从而提高电路的性能和可靠性。
希望以上内容对您有所帮助。
高速电路信号完整的基本概念
高速电路设计/信号完整性的一些基本概念1.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。
2.传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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Fkn ee，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。
7.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。
8.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tP D。
9.微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
10.带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。
11.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。