第七章传输线和信号完整性
传输线理论及信号完整性分析共23页文档
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
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）
现代通信系统中的信号完整性分析
现代通信系统中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，通信系统的性能和可靠性对于我们的日常生活和工作至关重要。
无论是手机通信、互联网数据传输，还是卫星通信、广播电视等领域，都依赖于高效、准确的信号传输。
而在这一过程中，信号完整性成为了一个关键的因素，它直接影响着通信的质量和稳定性。
信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其原有特性和质量的能力。
如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就会导致通信系统的性能下降，甚至出现通信故障。
那么，是什么原因导致了这些信号完整性问题的出现呢？首先，传输线的特性是影响信号完整性的一个重要因素。
在现代通信系统中，信号通常通过各种传输线进行传输，如电缆、微带线、双绞线等。
这些传输线具有一定的电阻、电感和电容特性，当信号在其中传输时，会产生信号的衰减和失真。
特别是在高速传输的情况下，传输线的寄生参数会对信号产生更大的影响。
其次，信号的反射也是一个常见的问题。
当信号在传输线的终端遇到不匹配的阻抗时，就会发生反射。
反射信号会与原信号叠加，导致信号的波形发生畸变，从而影响信号的完整性。
为了减少反射，通常需要在传输线的终端进行阻抗匹配，以确保信号能够顺利传输。
串扰也是影响信号完整性的一个重要因素。
在通信系统中，往往存在着多条并行的传输线，当信号在其中一条传输线上传输时，会通过电磁场的耦合在相邻的传输线上产生干扰信号，这就是串扰。
串扰会导致信号的噪声增加，降低信号的质量。
为了减少串扰，需要合理地设计传输线的布局和间距。
除了上述因素外，电源噪声、时钟抖动等也会对信号完整性产生影响。
电源噪声会导致信号的电压波动，从而影响信号的准确性；时钟抖动则会导致时钟信号的不稳定，影响整个系统的同步性能。
为了分析和解决信号完整性问题，工程师们通常采用一系列的方法和技术。
其中，仿真分析是一种常用的手段。
通过建立通信系统的模型，利用专业的仿真软件对信号的传输过程进行模拟，可以预测可能出现的信号完整性问题，并采取相应的措施进行优化。
传输线理论及信号完整性分析
二、信号完整性分析（Signal Integrity）
§1.什么是信号的完整性
信号完整性（英语：Signal integrity, SI）是对于电子信号质量的 一系列度量标准。 在数字电路中，一串二进制的信号流是通过电压（或电流）的波 形来表示。然而，自然界的信号实际上都可以看做是模拟的，所有的 信号都受噪音、扭曲和损失影响。在短距离、低比特率的情况里，一 个简单的导体可以忠实地传输信号。而长距离、高比特率的信号如果 通过导体，有多种效应可以降低信号的可信度，这样系统或设备将可 能无法正常工作。 信号完整性差不是由单一因素造成的，而是由板级设计中多种因素 共同引起的。破坏信号完整性的原因包括反射、振铃、地弹、串扰等。 随着信号工作频率的不断提高，信号完整性问题已经成为高速PCB工 程师关注的焦点。
特征阻抗是均匀传输线的瞬时阻抗， 具有瞬时阻抗的所有特点。所谓的均匀 传输线，诸如PCB上的微带线，和同轴 电缆等等。 特征阻抗Z0= 1 / (V*CL)
传输线理论
§3.传输线差分/共模阻抗和奇模/偶模阻抗之间的关系
传输线差分阻抗和共模阻抗概念比较容易理解，但是奇模偶模 阻抗概念比较难理解。 奇模和偶模是相对于地来说的，以地作为参考面。而差分线是相 对于2根线之间的关系来说的。下图是奇模和偶模的模型图：
传输线理论
§2.传输线令人迷惑的阻抗
阻抗是什么？和电阻有什么不同？为什么经常会说50欧姆阻抗， 75欧姆阻抗的概念？初学者可能会被这一系列问题困扰。电阻是直 流特性，不考虑电感和电容效应。而在交流信号的时候则需要考虑 电感和电容，阻抗也一般就是指交流阻抗。那什么是特征阻抗呢 (Characteristic Impedance)？先了解一下什么是瞬时阻抗 (instantaneous impedance)吧。 因为在信号线条和返回地平面间存在寄生电容，如下图所示。 当信号向前传播过程中，A点处电压不断不变化，对于寄生电容来 说，变化的电压意味着产生电流，方向如图中虚线所示。因此信号 感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗，寄生电容构成了电流回流 的路径。信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗，这 个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的，通常叫做传输线的 瞬态阻抗。
第七章传输线和信号完整性
二、单位长度的电参数
上述传输线方程中包含单位长度的电容c和电感l， 这两个参数包含了有关传输线的所有结构信息，例如：
导线类型、导线半径和导线间隔等。因此，如果要求 解具体问题，必须先计算具体的c和l。传输线中的传 播模式为横电磁波（TEM）模式，所以，横向的磁场 和电场沿z轴方向传播，根据法拉第定律，有：
压波形相同：
V (0, t)
ZC RC ZC
Vs (t ); I (0, t )
Vs (t) RC ZC
初始的电波向负载端传播，脉冲前沿到达负载端需
要延时TD，然后反射回源端又需要延时TD。在源端，
可以得到电压反射系数为：S
RS RS
ZC ZC
在源端产生的前向波形与在负载端产生的反射波
的波形相同，但是反射波响应的点上减小了ΓS。这个 过程在源端和负载端持续重复进行，传输线上任意点 的总电压和电流都是所有单个电压和电流波的总和。
在20世纪80年代中期，这种连接导线是无关紧要 的，现在，由于时钟和数据速度的不断提高，这种 “互连”导线将极大地影响信号传输而不能被忽略。 信号完整性就是保证传输线输入端和输出端信号波形 相同或近似相同。
信号从传输线的一端被传输到另一端，其中至 关重要的是信号不被传输线所恶化。传输线的一个 重要影响是造成信号从一端到另一端的时延。信号 在传输线内传输的速度为v，传输线的总长度为l,则 延时为TD=l/v 。由互连线产生的另一个问题是反射。 传输线的第二个特性参数是它的特性阻抗ZC，如果 传输线不匹配，将有部分到达负载端的信号反射回 源端。这种反射现象是导致信号完整性降级的主要 原因。
Rs＝300Ω
+
Vs(t)
－
+
V(0,t)
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。
信号完整性
一、信号完整性研究：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。
信号完整性的基本概念
信号完整性的基本概念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线，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。
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tPD。
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。
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在20世纪80年代中期，这种连接导线是无关紧要 的，现在，由于时钟和数据速度的不断提高，这种 “互连”导线将极大地影响信号传输而不能被忽略。 信号完整性就是保证传输线输入端和输出端信号波形 相同或近似相同。
信号从传输线的一端被传输到另一端，其中至 关重要的是信号不被传输线所恶化。传输线的一个 重要影响是造成信号从一端到另一端的时延。信号 在传输线内传输的速度为v，传输线的总长度为l,则 延时为TD=l/v 。由互连线产生的另一个问题是反射。 传输线的第二个特性参数是它的特性阻抗ZC，如果 传输线不匹配，将有部分到达负载端的信号反射回 源端。这种反射现象是导致信号完整性降级的主要 原因。
ZC ZC
因此负载端的反射波可以利用反射系数从入射波得来：
z
t
类似地，可以得到第二个传输线方程：
I(z, t) c V (z, t)
z
t
以上两个方程称为传输线方程。可以将这两 个方程分别对z和t取微分，去耦得到如下方程形式：
2V (z, t ) 2V (z, t) 2z lc 2t
2I(z,t) 2I(z,t) 2z lc 2t
去耦过程如下：
将
V (z, t) z
l
I(z, t) t
对z取
微
分
得
： 2V
(
2
z z
,
t
)
l
2I(z, tz
t)
将
I(z, t) z
c
V(z, t) t
对t取 微 分 得 ： 2I(z, t ) tz
c
2V (z, t ) 2t
将
第
二
个
方
程
带
入
第
一个
方
程
，
得
： 2V (z, 2z
t
)
lc
2V (z, 2t
t)
t
I(z,t)
l ∆z
I(z+ ∆z,t)
+
+
V(z,t) _
c ∆z V(z+ ∆z,t) _
I(z,t) V(z Δz,t)V(z,t) lz
t
方程两边都除以∆z，并令∆z→0取极限，等式
左侧得：V (z z, t) V (z, t) z
lim z 0
V (z, t) z
得到第一个传输线方程：V (z, t) l I(z, t)
无耗传输线的非耦合二阶方程的解为：
V (z,t) V (t z ) V (t z )
v
v
I(z,t) 1 V (t z ) 1 V (t z )
Zc
v Zc
v
式 中 ，ZC是 传 输 线 的 特 征 阻 抗 ：ZC＝
l vl 1
c
vc
式中函数V＋代表了沿＋z方向传播的正向行波，函 数V＋代表了沿－z方向传播的后向行波；特性阻抗ZC是 实数，“阻抗”是频域的一个术语，虽然这里电压源
二、单位长度的电参数
上述传输线方程中包含单位长度的电容c和电感l， 这两个参数包含了有关传输线的所有结构信息，例如：
导线类型、导线半径和导线间隔等。因此，如果要求 解具体问题，必须先计算具体的c和l。传输线中的传 播模式为横电磁波（TEM）模式，所以，横向的磁场 和电场沿z轴方向传播，根据法拉第定律，有：
传输线上的传播速度
，v 得1l＝ 1/cv2，和c＝1/lc，
然后得到l。
三、时域解（瞬态解）
传输线方程的时域解指的是传输线方程在 未假定传输线激励源的时域形式的情况下的完 全解。另一种意义的解是正弦稳态解或频域解， 激励被严格限定为正弦形式，而且假定正弦源 加入的时间足够长，以至于瞬态分量已经衰减 为零，只剩下正弦稳态分量。时域解常常被认 为是瞬态解，是因为时域解给出的是完全解， 包含瞬态分量和稳态解。
第7章 传输线和信号完整性
通过一对平行导体在两点之间传输数字和模拟 信号，该平行导体就称为传输线。一些常见的传输 线如下图所示：
源 Rs
I
负
载
+
+
Vs
V
_
_
RL
I
（a） 双线传输线
源 Rs
I
负
载
+
+
Vs
V
_
_
RL
I
地平面
（b） 无限大接地平面上的单根导线
+ Rs Vs _
（c） 同轴电缆
+V
_
RL
I
d dt
Sxy
EZ
• ds
I
这也类似于静电场或直流场的情况。
因此，即使场是随时间而变化的，仍然可以利用
计算直流场的计算方法来计算每单位长度的电容c和电
感l。这个结果由于只涉及静态场而使c和l的计算得到
简化。如果两导线周围的媒介是均匀的，意味着介电
常数ε和磁导率μ处处相同，那么c和l的关系为：cl＝με，
容的分布参数电路建模。 x
＋
＋＋＋
ET－－－
HT
V
—
z
y
传输线除了电感和电容外还有损耗。导线具有 有限的非零电阻，导线周围的介质由损耗，通常， 这些代表了二次效应，可以忽略不计。但是当频率 达到GHz范围时，由于集肤效应，损耗显得十分重 要。
考虑下图所示长度为的∆z传输线，传输线上的
电压和电流是时间t和位置z的函数。沿外部环路写 出基尔霍夫电压定律为：V(z Δz,t)V(z,t) lΔ I(z,t)
全解由前向行波和后向行波构成，每一个波的电流与 电压由特性阻抗联系起来：
I (t z )
1
V (t
z )
v Zc
v
I (t z )
1
V (t
z )
v Zc
v
考虑全长为L的传输线。在负载端Z＝L处的前向和 后行波由负载的反射系数联系：
L
V (t L/ v) V (t L/ v)
RL RL
一、传输线方程
考察下图所示双导线传输线，其中导线于z轴平
行放置，如果在导线之间加上电压V，那么导线上
就会存储电荷，从而产生电场
ET
，位于xy平面或
横截面积内，由于双导线使电荷分离，意味着传输
线具有每单位长度的电容cF/m。现假设电流I如图
流动，就会产生磁场 HT ，意味着传输线具有每单 位长度的电感lH/m。因此传输线可以用由电感和电
Cxy
ET
• dl
d dt
Sxy
HZ
•
ds
0
其中：Sxy为位于横截面积或xy面内的（平滑）表 面，Cxy为包围该表面的闭合曲线，也位于横向的xy 面内。方程右面等于零是因为场为TEM波，没有Z方
向或轴向的分量。这类似于静电场或直流场的情况。
类似地，可以写出横截面上安培定律：
Cxy
HT
•
dl
的波形不一定是单频正弦波，然而将ZC称为特性阻抗 已经称为工业标准，所以这里继续使用。
上式给出的解的一般形式是用函数V＋(t－z/v)和V－ (t＋z/v)来表示的，这些函数的精确形式由激励源的时 域函数Vs(t)来确定，然而，在这些函数中，时间和位 置还是必须由关系式t－z/v和t＋z/v来联系。因此，完