高速数字设计与信号完整性数字电路工作原理共16页文档
高速数字信号的信号完整性分析
科研训练设计题目：高速数字信号的信号完整性分析专业班级：科技0701姓名：张忠凯班内序号：18指导教师：梁猛地点：三号实验楼236时间：2010.9.14~2010.11. 16电子科学与技术教研室摘要：在高速数字系统设计中，信号完整性（SI）问题非常重要的问题，如高时钟频率和快速边沿设计。
本文提出了影响信号完整性的因素,并提出了解决电路板中信号完整性问题的方法。
关键词：高速数字电路；信号完整性；信号反射；串扰引言：随着电子行业的发展，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，100 MHz 以上的系统已随处可见，采用CS(线焊芯片级BGA)、FG(线焊脚距密集化BGA)、FF(倒装芯片小间距BGA)、BF(倒装芯片BGA)、BG(标准BGA)等各种BGA封装的器件大量涌现，这些体积小、引脚数已达数百甚至上千的封装形式已越来越多地应用到各类高速、超高速电子系统中。
从IC芯片的封装来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，同时信号的上升沿触发速度还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为限制设计水平的关键因素。
随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。
对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在评定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。
因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。
1．信号完整性的概念：信号完整性是指信号未受到损伤的一种状态，良好的信号完整性是指在需要时信号仍然能以正确的时序和电压电平值做出响应。
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。
2．信号完整性问题的分析：高速不是就频率的高低来说的，而是由信号的边沿速度决定的，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。
高速电路设计中信号完整性分析
高速电路设计中信号完整性高分析由于系统时钟频率和上升时间的增长，信号完整性设计变得越来越重要。
不幸的是，绝大多数数字电路设计者并没意识到信号完整性问题的重要性，或者是直到设计的最后阶段才初步认识到。
本篇介绍了高速数字硬件电路设计中信号完整性在通常设计的影响。
这包括特征阻抗控制、终端匹配、电源和地平面、信号布线和串扰等问题。
掌握这些知识，对一个数字电路设计者而言，可以在电路设计的早期，就注意到潜在可能的信号完整性问题，还可以帮助设计则在设计中尽量避免信号完整性对设计性能的影响。
尽管，信号完整性一直以来都是硬件工程师必备的设计经验中的一项，但是在数字电路设计中长期被忽略。
在低速逻辑电路设计时代，由于信号完整性相关的问题很少出现，因此对信号完整性的考虑本认为是浪费效率。
然而近几年随着时钟率和上升时间的增长，信号完整性分析的必要性和设计也在增长。
不幸的是，大多数设计者并没有注意到，而仍然在设计中很少去考虑信号完整性的问题。
现代数字电路可以高达GHz 频率并且上升时间在50ps以内。
在这样的速率下，在PCB设计走线上的疏忽即使是一个英尺，而由此造成的电压、时延和接口问题将不仅仅局限在这一根线上，还将会影响的全板及相邻的板。
这个问题在混合电路中尤为严重。
例如，考虑到在一个系统中有高性能的ADC 到数字化接收模拟信号。
散布在ADC器件的数字输出端口上的能量可能很容易就达到130dB（10，000，000，000，000 倍）比模拟输入端口。
在ADC数字端口上的任何噪声。
设计中的信号完整性并不是什么神秘莫测的过程。
对于在设计的早期意识到可能潜在的问题是很关键的，同时可以有效避免由此在后期造成的问题。
本篇讨论了一些关键的信号完整性挑战及处理他们的方法。
确保信号完整性：1、隔离一块PCB板上的元器件有各种各样的边值（edge rates）和各种噪声差异。
对改善SI最直接的方式就是依据器件的边值和灵敏度，通过PCB板上元器件的物理隔离来实现。
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。
高速数字电路设计中信号完整性分析与思考
高速数字电路设计中信号完整性分析与思考作者：魏红艳来源：《西部论丛》2017年第01期摘要：提高信号的完整性，是提高高速数字电路设计水平及性能的主要途径。
本文简要分析了与高速数字电路信号完整性有关的因素，强调了控制各因素的重要性。
基于此，主要从反射、串扰、噪声三方面出发，详细探讨了各因素的控制方法。
并通过建立仿真模型、观察仿真效果的方式，证实了本课题所提出的设计方案的有效性。
关键词：高速数字；电路设计；信号完整性1高速数字电路的概念分析高速数字电路指的是信号在高速变化和电路模拟特性的情况下发生变化的电路，其模拟特征主要包括电容、电感等。
高速数字电路主要包括总参数系统和分布参数系统两部分，其中总参数系统中的电流与电压都不会受到其它因素影响，因此在信号日常传输的过程中不会出现畸形问题。
现阶段，分布参数系统已经在数字电路设计过程中得到了广泛应用，同时取得了很好的应用效果，该系统的主要优势是：设计与其实际运行情况接近，并充分考虑了信号传输过程的影响因素。
2信号的完整性简单来说，信号的完整性实质上指的就是信号在电路中传输的质量，信号的传输路径可以是金属线、光学器件，或者其他媒介物质等。
当信号完整性良好时，信号在需要的时候具备其需要达到的电压电平均值。
但在实际中，信号往往会受到各种因素影响，从而造成信号完整性变差。
其中最为常见的信号完整性问题便是信号反射噪音问题。
3数据的高速采集与处理技术要点分析如图1所述的数据采样与处理过程示意图，要想实现数据的高速采集与处理，就必须使检测装置、信号线、数据处理单元都能够满足相应速度的工作条件。
以常用的电流或电压传感器为例，其响应时间就代表着它能够多快的响应外部激励，也就决定着其多能实现的最高采样速度。
所以要想获得有效的高速数据首先要从检测装置选型做起。
图1数据采样与处理过程示意图信号线对信号质量有着重要的影响，尤其在高频以及恶劣的电磁环境下。
所以要选满足对应频率、屏蔽条件、阻抗特性的信号线，以保证信号质量，确保数据的正确性。
高速数字电路设计信号完整性仿真IBIS模型编写原理
由上可知，IBIS 模型的优点可以概括为： 在 I/O 非线性方面能够提供准确的模型，同时考虑了封装的寄生参数与 ESD 结构； 提供比结构化的方法更快的仿真速度； 可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。可用 IBIS 模型分析的信号完整性问题包括： 串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS 尤其能够 对高速振荡和串扰进行准确精细的仿真，它可用于检测最坏情况的上升时间条件下的信号行 为及一些用物理测试无法解决的情况； 模型可以免费从半导体厂商处获取，用户无需对模型付额外开销； 兼容工业界广泛的仿真平台。 当然，IBIS 不是完美的，它也存在以下缺点： 许多芯片厂商缺乏对 IBIS 模型的支持。而缺乏 IBIS 模型，IBIS 工具就无法工作。虽然 IBIS 文件可以手工创建或通过 Spice 模型自动转换，但是如果无法从厂家得到最小上升时间 参数，任何转换工具都无能为力。 IBIS 不能理想地处理上升时间受控的驱动器类型的电路，特别是那些包含复杂反馈的电 路； IBIS 缺乏对地弹噪声的建模能力。IBIS 模型 2.1 版包含了描述不同管脚组合的互感，从
IBIS 模型是以元件为中心的，也就是说，一个 IBIS 文件允许你模拟整个的一个元件， 而不仅仅是一个特定的输入、输出或 I/O 缓冲器。因而，除了器件缓冲器的电学特性参数以 外，IBIS 文件还包括了器件的管脚信息以及器件封装的电学参数。从 Version 1.1 开始，就 定义了一个 IBIS 模型文件的最基本的组成元素为 I/V 数据表、开关信息和封装信息(图 1)。
高速数字电路信号完整性设计
第28卷第3期指挥控制与仿真V ol.28 No.3 2006年6月Command Control & Simulation Jun.2006文章编号：1673-3819(2006)03-0106-11高速数字电路信号完整性设计曲伟，刘全（中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏连云港 222006）摘要：随着电子产品日愈复杂,电路板工作频率不断提升，从而导致信号完整性问题。
从工程应用角度阐述了高速电路的概念，列举了典型的信号完整性问题，如反射、串扰、电源和地噪声、定时等，提出信号完整性设计中所应遵循的设计方法，如控制走线长度、特征阻抗控制与计算，仿真技术等，并讲解了真实的设计案例，具有工程应用实际参考价值。
关键词：高速数字电路；信号完整性；特征阻抗；拓扑；端接；仿真中图分类号：TP331.2文献标识码：BSignal Integrity Design of High-Speed Digital CircuitQU Wei，LIU Quan(Jiangsu Automation Research Institute of CSIC, Lianyungang 222006, China) Abstract: The electrical equipment is becoming more complicated, the working frequency is becoming higher. It produces the Signal Integrity problem. From the engineering point of view, the article explains what the high speed digital circuit is. Then it enumerates typical SI problems, such as reflection, crosstalk, power and ground noise, and timing problem. Next SI design method is suggested, such as trace length controlling, characteristics impedance controlling and calculation, and simulation techniques. At last, the design case is explained. The article is a good design reference for engineering application.Key words: high-speed digital circuit; signal integrity; characteristics impedance; topology; termination;simulation1 高速数字电路信号完整性设计概述1.1 电子系统设计所面临的问题随着电子产品功能的不断增强，市场对电子产品的可靠性、可测试性、可维护性等提出了更加苛刻的要求。
高速数字电路系统中的信号完整性工程
高速数字电路系统中的信号完整性工程译自1997 high-performance system Design Conference原著作者Donald Telian摘 要：与一门成熟的学科不同，信号完整性工程的方法和实践还都没有很好的定义。
但勿庸置疑，保证电气性能的完整是高速数字电路设计的又一难题。
本文针对硬件设计流程总结出信号完整性工程师应该表现出的七方面作用，阐述了如何正确应用信号完整性的理论、工具和方法去建立新规则，解决生产中的问题。
本文从成功实践中总结了一些规则和技巧以飧读者。
作者简介：Donald Telian 是Cadence Design-systems’ Spectrum Scrvices的首席顾问，主要任务在于解决Cadence世界各地的用户中在高速电路设计中遇到的难题。
正 文：本文将阐述信号完整性工程如何成为当今高速电路设计系统中的重要组成部分。
我们首先定义“高速”为25MHZ以上的数字信号，而且不是IC内部的数字信号。
本文简要讨论在过去10－15年中系统设计的变化，目的是说明：这些变化导致了一种新的工程师的产生：信号完整性工程师。
本文将说明：在硬件设计的整个流程中，信号完整性工程师的参与都是必要的，本文将参与过程总结“信号完整性工程师的7方面作用。
”(1) 数字系统设计有三个初始的方面：机械的(Mechanical)，逻辑的(Logical)和电气的(Electrical)，当机械和逻辑方面的内容在不断变化时，电气部分也在进行着有趣的改变。
电气设计的改变源于电路开关速度的提高。
在低速系统中，如工作在1MHz 时钟下，信号在周期的95％的时间内是保持不变的,因此电气参数大多描述静态，如V_in, L_ol等。
而今在66M系统中的信号用周期的1/3来翻转。
这些信号常常还未到一个“静止”状态，便被要求翻转。
因此新的数据形式象I B IS模型、规迹(RA IL)文件等，和鲁棒(ro b ust)而复杂的仿真工具便出现了，用来描述这些电气表现。
浅析高速数字电路中的信号完整性
般 情况 下，大 部分 人认 为 电路 的工 作
２ ． １信号的反射及其应 对策略
电路传输 图中， 其 中心 代表信号驱动源 内阻 ， ｚ 。 代表 传输线 Ｌ的特性 阻抗，
阻抗 。
串扰 本 身是一 个较为 复杂 的 电路 运行 现 象 ，并且它的产生也是 由多种原因引起的，通
电子技术 ・ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
浅析 高速数 字电路中的信号 完整性
文／ 玉 素甫・ 艾山
当前 高频 电路 器件 在人 民 生 活 中被 越 来越 广泛 的应 用， 因此 设 计人 员及生 产人 员在 对待 高频
电路 信 号 完 整 性 的 问题 上 必 须 给 予 充分 的重视 ，毕 竟 高频 电路 信 号 完整性 关 系到相 关设 备 及元 器 件 的正 常工 作 与否。本 文在 参 阅 大 量 相 关 研 究 文 献 的 基 础 上 ， 主 要从 高速 数 字 电路 的基 本 概念 以 及 影响 高速 数 字 电路信 号 完整 性 的解决 问题及措施展开探讨。
代表 了负载 常来说两个导体 电路中的 电流流向为反向时， 干扰源信号频率的增加 ，被干扰对象上的串扰
幅值也将随之增加。 减 小串扰 的主 要措 旋有 以下 几个 方面： （ １ ）尽 可 能 的增 大 两 线 之 间 的距 离 。 （ ２ ）尽
在 实 际情 况 下，通 常表现 为 Ｒ ０ ＝ ｚ 。 ： Ｒ １ ， 这时传输 阻抗呈现连续性 的状态 ，并不会产生 反射 反应。但是倘若 Ｒ ｃ ＞ Ｚ 。 ，负端 的多余能量 就会 向源端反射 ，人们常将这种情况称 为欠阻 尼 ；当两者之 间的关系产生相反状态时 ，负载