时序裕量及信号完整性共39页
信号完整性分析与设计
振铃（不单调）
传输线过长 串扰 多负载 阻抗不匹配
课程简介
01-19
常见的信号完整性问题及其原因
昏睡的眼图
原因很多： 阻抗不连续，损耗…
课程简介
01-20
常见的信号完整性问题及其原因
串扰 当有快速变化的电流流过导线时会产生交变的磁场，而使 邻近的导线上感应出信号电压，串扰有时也被称作交调。
课程简介
01-3
高速数字电路设计所面临的挑战
现在数字电路发展的趋势 速率越来越快 芯片集成度越来越高，PCB板越来越密 功耗越来越大 信号电压幅度越来越小 单端信号向差分信号的转变 低速并行总线向高速串行总线的转变
课程简介
01-4
高速数字电路设计所面临的挑战
数字电路工作速率越来越快
信号完整性要求
1）波形完整性Waveform integrity -单调性（monotonic) -噪声裕量（noise margin） -上冲下冲（overshoot,undershoot) -振铃（ringing）
课程简介
01-10
信号完整性要求
2）时序完整性 Timing integrity --建立保持时间 （setup/hold time） --时序抖动 （timing jitter） --串扰
由于电源/地噪声的复杂性，被与信号完整性分开来，单独作为 电源完整性（Power Integrity）来研究。
课程简介
01-22
常见的信号完整性问题及其原因
建立与保持时间问题
数据的超时延时和数据的信号畸变 都会造成数据的读取错误，如信号由 于出现严重的振铃现象，部分进入非 稳定状态，会使数据不能被可靠地提 取，造成误码问题。
时序裕量及信号完整性
2
Tco
3
Flight Time
D0 D1 D2
D0 D1 D2
Driving
Receiving
Setup
Hold
Clock Driver
Closing the loop in high speed design
7
Flight Time
• Accounts for the electrical delay of interconnect (PCB etch) between the driving device and receivers Can be estimated for slow speed circuits; must be simulated (signal integrity) for high speed designs
440FX to Pentium Pro
Tflightmax = ClockPeriod Tcomax - Skew - Jitter - Crosstalk - Receiver(Setup) 4.55 ns 15.00 ns 7.25 ns 0.20 ns 0.40 ns 0.40 ns 2.20 ns Tflightmin = Receiver(Hold) - Tcomin + Skew + -0.20 ns 0.45 ns 1.25 ns 0.20 ns Crosstalk 0.40 ns
• Conditions under which this is measured
• •
– Setup / Hold requirements – PLL Jitter (if spec’d)
Closing the loop in high speed design
信号完整性分析与优化
信号完整性分析的方法
▪ 电磁场分析
1.电磁场分析是通过求解麦克斯韦方程组来分析信号在传输过程中的电磁场分布和 耦合情况。 2.电磁场分析方法可以评估信号的电磁辐射、串扰和电磁兼容性等参数，适用于分 析和优化高速数字系统和复杂电磁环境下的信号传输性能。 3.通过电磁场分析，可以优化系统的布局和布线设计，降低电磁干扰和提高信号的 传输质量。
▪ 时钟同步技术
1.时钟同步的重要性：时钟同步对保证系统稳定性和数据传输的准确性至关重要。 2.时钟同步的方法：通过采用全局时钟、分布式时钟等方式，可以实现时钟同步。 3.时钟同步的评估：需要通过测试和仿真来评估时钟同步的效果，确保系统性能得 到提升。
▪ 信号均衡技术
1.信号均衡的作用：信号均衡可以补偿信号传输过程中的损耗和失真，提高信号质 量。 2.信号均衡的方法：通过采用线性均衡器、非线性均衡器等措施，可以实现信号均 衡。 3.信号均衡的评估：需要通过测试和仿真来评估信号均衡的效果，确保系统性能得 到提升。
时钟完整性分析
▪ 时钟抖动的分析和优化
1.时钟抖动是衡量时钟信号稳定性的重要指标。 2.通过分析时钟抖动的来源，可以采取相应的优化措施。 3.采用先进的抖动测量和分析工具可以提高优化效率。
▪ 时钟完整性的验证和测试
1.时钟完整性的验证和测试是确保系统稳定工作的重要环节。 2.采用合适的测试方法和工具可以检测出潜在的时钟问题。 3.对测试结果进行详细的分析和解释，可以为优化设计提供有价值的参考。
信号完整性的基本概念
信号完整性问题的来源
1.信号完整性问题可能来源于系统硬件、软件和环境等多个方面。 2.硬件方面的来源包括传输线效应、电源噪声、接地问题等。 3.软件方面的来源包括算法缺陷、数据处理错误等。环境方面的来源包括温度、电磁干扰等。
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:（1）延迟。
延迟是指信号在PCB 的导线上以有限的速度传输，从驱动端到接收端存在的传输延时。
信号的延时会对系统的时序产生影响，在高速PCB 设计中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。
《信号完整性培训》课件
信号完整性仿真软件介绍
仿真软件的种类与功能
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信号完整性仿真软件：用于 模拟信号在电路中的传输和 干扰情况，评估信号完整性
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功能：提供信号完整性分析、 优化和验证功能，帮助设计 者优化电路设计，提高信号
传输质量
单击添加标题
仿真软件种类：包括 Cadence、Mentor、
Synopsys等
信号完整性的评估通常包括 信号的幅度、相位、抖动、
噪声等方面的测量。
信号完整性对于电子系统的 性能和可靠性至关重要。
信号完整性的重要性
确保信号传输的准确性和可靠性
降低电磁干扰和噪声
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提高系统稳定性和性能
添加标题
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提高产品竞争力和品牌价值
信号完整性的影响因素
信号频率：频率 越高，信号完整 性越差
信号串扰的影响：信号串扰会导致信号 误码率增加、信号传输质量下降等问题
信号反射与串扰的解决方法：通过优化 信号传输路径、增加信号隔离度、使用 屏蔽材料等方式进行解决
信号的时序与抖动
时序：信号在时间上的顺序和规律 抖动：信号在传输过程中的不稳定性 抖动类型：随机抖动、确定性抖动、数据相关抖动 抖动影响：可能导致信号失真、传输错误、系统不稳定等
信号幅度：幅度 越大，信号完整 性越差
信号传输路径： 路径越长，信号 完整性越差
信号传输介质：介 质的阻抗、容抗、 感抗等参数会影响 信号完整性
信号完整性的基础理论
信号的传输方式
串行传输：数据按 顺序传输，速度快， 但容易受到干扰
并行传输：数据同 时传输，速度快， 但需要更多的硬件 资源
模拟传输：数据以 模拟信号的形式传 输，抗干扰能力强 ，但传输距离有限
芯片设计中的信号完整性与时序优化
芯片设计中的信号完整性与时序优化芯片设计是现代电子技术领域中的重要一环，而其中的信号完整性和时序优化更是至关重要的问题。
在当前高速、大规模集成电路的设计中，信号完整性和时序优化对电路性能和可靠性起着决定性的作用。
本文将从理论和实践两方面探讨芯片设计中信号完整性和时序优化的相关内容。
1. 信号完整性信号完整性是指保证信号在传输过程中不发生失真、干扰或衰减的能力。
在芯片设计中，信号完整性的提高是确保电路正常工作和数据可靠传输的基础。
下面介绍一些常见的信号完整性问题及其解决方法。
1.1 反射反射是信号完整性中常见的问题之一，它指的是信号在传输线上到达终端时，一部分能量反射回发送端，导致信号失真和抖动。
为了解决这个问题，可以使用终端阻抗匹配和终端终止电阻来减少反射的影响。
1.2 串扰串扰是信号完整性中另一个重要问题，它指的是信号在传输过程中受到相邻信号的干扰，导致信号质量下降。
为了减少串扰，可以采取减小信号线之间的距离、增加屏蔽层和引入阻抗匹配等措施。
1.3 信号功率衰减信号功率衰减是指信号在传输过程中的能量损失，导致信号变弱，难以被接收端正确解读。
为了解决信号功率衰减，可以采取合理的功率管理策略，包括增加信号驱动能力和优化传输线的设计等。
2. 时序优化时序优化是芯片设计中的另一个重要方面，它主要涉及到电路中各个时钟边沿之间的时间关系。
时序优化的目标是保证电路的正常工作，并尽可能减少时序违规和噪声干扰。
下面介绍一些常用的时序优化技术。
2.1 时钟树设计时钟树是芯片中时钟信号传输的网络，其设计合理与否对芯片的性能和功耗有着直接的影响。
在时钟树设计中，需要考虑时钟延迟、抖动、功耗等因素，并进行合理的布线和分层设计。
2.2 数据路径分析数据路径是芯片中数据信号传输的路径，而数据路径分析则是对数据路径中的时序关系进行分析和优化。
通过数据路径分析，可以提前发现时序违规和潜在的时序问题，并进行合理的调整和优化。
2.3 前端设计与后端布局芯片设计中的前端设计和后端布局是时序优化的两个关键环节。
于博士-信号完整性
信号完整性一、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。
信号完整性分析
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信号完整性分析规则设置
1、激励信号规则(Signal Stimulus)规则
设置激励信号的种类，包括3种选项：“Constant Level”表示激励信号 为某个常数电平；“Single Pulse”表示激励信号为单脉冲信号； “Periodic Pulse”表示激励信号为周期性脉冲信号 设置激励信号的初始电 平，仅对“Single Pulse”和“Periodic Pulse”有效，设置初始 电平为低电平选择Low Level，设置初始电平 为高电平选择High Level。
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信号完整性分析规则设置
7、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，即信号上位值的最小电压，系统默认 单位是伏特。
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信号完整性分析规则设置
8、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，也即信号的 最大基值，系统默认单位是伏特。
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常见的信号完整性问题
4、接地反弹
接地反弹是指由于电路中较大的电流涌动，在电源与 接地平面间产生大量噪声的现象。如大量芯片同步切 换时，会产生一个较大的瞬态电流从芯片与电流平面 间流过，芯片封装与电源间的寄生电感、电容和电阻 会引发电流噪声，使得零电位平面上产生较大的电压 波动(可能高达2V)，足以造成其他元件误动作。 由于接地平面的分割(分为数字接地、模拟接地和屏 蔽接地等)，可能引起数字信号传到模拟接地区域时， 会产生接地平面回流反弹。同样，电源平面分割也可 能出现类似危害。负载容性的增大、阻性的减少、寄 生参数的增大、切换速度的增高，以及同步切换数目 的增加，都可能导致接地反弹的增加。