SI信号完整性分析揭秘
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。
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。
集成电路设计中的信号完整性

集成电路设计中的信号完整性集成电路(IC)设计是现代电子工程的核心。
随着技术的进步,集成电路的复杂性不断增加,这给信号完整性(SI)带来了更大的挑战。
信号完整性是指信号在传输过程中保持其完整性和正确性的能力。
在集成电路设计中,信号完整性是一个至关重要的因素,因为它直接影响到系统的性能和可靠性。
信号完整性问题的产生信号完整性问题的产生主要是由于集成电路中的传输线路特性以及电磁干扰。
传输线路的特性会导致信号在传输过程中发生失真,而电磁干扰则会引起信号的噪声。
这些失真和噪声会影响到信号的质量和性能。
传输线路特性集成电路中的传输线路主要包括导线和连接器。
这些传输线路的特性会影响信号的传输。
例如,导线的电阻会导致信号的延迟,而导线的电感会导致信号的衰减。
此外,传输线路的阻抗不匹配也会引起信号的反射和衰减。
电磁干扰电磁干扰是指外部电磁场对信号的影响。
在集成电路中,电磁干扰主要来自于电源线、信号线和其他电子元件。
电磁干扰会引起信号的噪声,从而影响信号的质量和性能。
信号完整性分析的方法为了确保信号完整性,集成电路设计人员需要进行信号完整性分析。
信号完整性分析主要包括时域分析和频域分析两种方法。
时域分析时域分析是一种基于时间的方法,用于分析信号在时间上的行为。
时域分析的主要工具是示波器和信号分析仪。
通过时域分析,设计人员可以观察信号的波形,从而确定信号是否发生了失真或噪声。
频域分析频域分析是一种基于频率的方法,用于分析信号在频率上的行为。
频域分析的主要工具是频谱分析仪。
通过频域分析,设计人员可以确定信号的频率成分,从而确定信号是否受到了电磁干扰。
信号完整性设计原则为了确保信号完整性,集成电路设计人员需要遵循一些基本的设计原则。
最小化导线长度导线长度是影响信号传输延迟和衰减的主要因素。
因此,设计人员应该尽量减少导线的长度,以降低信号传输的延迟和衰减。
匹配阻抗为了减少信号的反射和衰减,设计人员应该确保传输线路的阻抗与信号源和负载的阻抗相匹配。
信号完整性分析

人们关注信号完整性问题,该问题源于奇怪的设计失败。
当时,美国硅谷一家著名的图像检测系统制造商早在七年前就成功设计,制造并投放市场,但是最近在生产线上下架的产品存在问题,并且新产品无法正常工作。
这是20MHz的系统设计,似乎没有必要考虑高速设计问题。
使产品设计工程师感到困惑的是,新产品没有任何设计修改,甚至采用的组件模型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。
新的设备技术使每个新生产的芯片都成为高速设备,而这些高速设备的应用中的信号完整性问题导致系统故障。
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短。
无论信号频率如何,该系统都将成为高速系统,并且将出现各种信号完整性问题。
在高速PCB系统的设计中,信号完整性问题主要体现为:工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短会减小系统的时序裕度,甚至引起时序问题。
传输线效应导致传输过程中的噪声容忍度,单调性甚至逻辑错误。
信号之间的串扰随着信号边缘时间的减少而增加。
并且,当信号边缘时间接近0.5ns或更小时,电源系统的稳定性降低并且发生电磁干扰。
信号完整性的含义信号完整性(简称SI)是指信号从驱动端沿传输线到达接收端后的波形完整性。
也就是说,信号在电路中以正确的时序和电压响应的能力。
如果电路中的信号能够以所需的时序,持续时间和电压幅度到达IC,则电路具有更好的信号完整性。
相反,当信号无法正常响应时,就会出现信号完整性问题。
广义上,信号完整性问题是指高速产品中互连线引起的所有问题,主要表现在五个方面:(1)延误。
延迟是指当信号以有限的速度在PCB导体上传输时,从驱动端到接收端的传输延迟。
信号延迟将影响系统的时序。
在高速PCB设计中,传输延迟主要取决于导体的长度和导体周围介质的介电常数。
(2)反思。
当传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时,一部分能量将在信号到达接收端后沿传输线反射回去,从而导致信号波形失真,甚至导致信号过冲和下冲。
如果信号在传输线上来回反射,则会发生振铃和周围振荡。
时序分析--信号完整性问题(SI)(转载)

时序分析--信号完整性问题(SI)(转载)时序分析1. 共同时钟系统所谓共同时序系统就是指驱动端和接收端的同步时钟信号都是由⼀个系统时钟发⽣器提供。
图1就是⼀个典型的共同时钟系统的⽰意图,在这个例⼦中,驱动端向接收端传送数据,我们可以将整个数据传送的过程考虑为三个步骤:1. 核⼼处理器提供数据;2.在第⼀个系统时钟上升沿到达时,DRIVER将数据Dp锁存⾄Qp输出;3.Qp沿传输线传送到接收端触发器的Dc,并在第⼆个时钟上升沿到达时,将数据传送到RECEIVER内部。
⼀般来说,标准普通时钟系统的时钟信号到各个模块是同步的,即图中的Tflight clka和Tflight clkb延时相同。
通过分析不难看出,整个数据从发送到接收的过程需要经历连续的两个时钟沿,也就是说,如果要使系统能正常⼯作,就必须在⼀个时钟周期内让信号从发送端传输到接收端。
如果信号的传输延迟⼤于⼀个时钟周期,那么当接收端的第⼆个时钟沿触发时,就会造成数据的错误读取,因为正确的数据还在传输的过程中,这就是建⽴时间不⾜带来的时序问题。
⽬前普通时序系统的频率⽆法得到进⼀步提升的原因就在于此,频率越⾼,时钟周期越短,允许在传输线上的延时也就越⼩,200-300MHz已经⼏乎成为普通时序系统的频率极限。
那么,是不是传输延时保持越⼩就越好呢?当然也不是的,因为它还必须要满⾜⼀定的保持时间。
在接下来⼏节⾥,我们就建⽴和保持时间来分析⼀下时序设计需要考虑的⼀些问题以及正确的系统时序所必须满⾜的条件。
1.1 时序基本参数对于时序问题的分析,我们⾸先要清楚地理解相关的⼀些时序参数的具体含义,⽐如Tco,缓冲延时,传播延迟,最⼤/⼩飞⾏时间,建⽴时间,保持时间,建⽴时间裕量,保持时间裕量,时钟抖动,时钟偏移等等,如果对这些参数的概念理解不深刻,就很容易造成时序设计上的失误。
⾸先要阐明的是Tco和缓冲延时(buffer delay)的区别。
从定义上来说,Tco是指时钟触发开始到有效数据输出的器件内部所有延时的总和;⽽缓冲延时是指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间。
信号完整性的SI设计规划问题的浅析

1设计前的准备工作
匕信号之间的最,J、允 许间距。同时,如果设计中包 还可以调整输出驱动的选择 ,以便改进 SI设计或
在设计开始之前,必须先行思考并确定设计 含阻抗重要的节点 ,你就必须将布线放置在—层 避免采用离散端接器件。
策略 ,这样才能指导诸如元器件的选择、工艺选择 上以得到想要的阻抗。
某一层是 5011阻抗控制 ,制造商怎样测量并确保 才能保证 SI的品质,并有助于解决象输出同步交 调整生产率。
这个 数值 呢?
换(sso)和电磁兼容(EMc)等问题。
其它的重要问题包括:预期的制造公差是多
在新型 FPGA可编程技术或者用户定义 A—
8后制 造阶 段 采取上述措施可以确保电路板的 sI设计品
少?在电路板 E预期的绝缘常数是多少?线宽和间 SIC中。可以找到驱动技术的优越性。采用这些定 质,在电路板装配完成之后,仍然有必要将电路板 距的允许误差是多少?接地层和信号层的厚度和 制(或者半定制)器件 ,你就有很大的余地选定 驱 放在测试平台上 ,利用示波器或者 TDR(时域反射
间距的允许误差是多少?所有这些信 息可以在预 动幅度和速度 。设计初期,要满足 FPGA(或 ASIC) 计 )测量,将真实电路板和仿真预期结果进行比
布线阶段使用。
设计时间的要求并确定恰当的输出选择,如果可 较。这些测量数据可以帮助你改进模型和制造参
根据 七述数据,你就可 以选择层叠了。注意 , 能 的话 ,还 要包 括引脚 选择 。
数,以便你在下一次预设汁凋研工作中做出更佳
几乎每一个插入其它 电路板 或者背板的 PCB都
这个设计阶段 ,要从 IC供货商那里获得合 的决策。
信号完整性(SI)分析1-2演示幻灯片

SI的四种分析、描述手段和途径
• 经验法则; • 解析近似; • 数值仿真 (有场和路两种途径); • 实际测量。
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SI仿真用软件
• SPICE(侧重IC的仿真程序) • Mentor公司:Hyperlynx • Candence公司:SigXP(SigXplorer) • Ansoft: HFSS(高频结构仿真器)、SI2D • Agilent公司:ADS
分析信号完整性分为时域和频域两种途径和手段。 时域(time domain)是对一个信号波形进行的示波器观察,它 通常用于找出管脚到管脚的时延、错位、过冲、下冲以及建立时 间。 频域(frequency domain)是对一个信号波形进行的频谱分析 仪观察,它通常用于波形与 FCC 以及其它 EMI 控制限制之间的比 较。一个生动的例子就是收音机——你在时域中收听它,但是为 了找到喜欢的电台位置你却需要在频域内搜寻。
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研究中有两种主要的技术工具:分析型和描述表征型。 分析型指的是计算推理工具;表征型指的是测量工具。
分析工具强调推理,又进一步分为三类:经验法则、解 析近似和数值仿真。它们的准确度和难度各不相同。每一 个都很有用,适用于不同场合。
经验法则很实用,例如简单地认为“线段单位长度的自 感是 1nH/mm” ,可能对进一步的概念推理既直观又快捷。
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0.6 信号完整性测量技术
测量工具也可以分为三类测量仪器:阻抗分析仪;矢量网络 分析仪(VNA)以及时域反射计(TDR)。
阻抗分析仪测量电压/电流比=阻抗。频率从 100Hz 到 40MHz。 有四个接头,一对接头产生流过被测器件(DUT)的正弦波电流, 第二对接头测量被测器件(DUT)的正弦电压。
信号完整性(SI),是指信号电压(电流)完美的波形形状及 质量。由于物理互连造成的干扰和噪声,使得连线上信号的波 形外观变差,出现了非正常形状的变形,称为信号完整性被破 坏。信号完整性问题是物理互连在高速情况下的直接结果。
信号完整性(SI)分析-15~16差分对与差分阻抗

图 11.6 差分电路和差分对的远端接收信号。差分对互连末端没有 端接(terminated),并且差分对之间没有耦合。使用安捷伦(Agilent) 的 ADS 仿真得到(差分对中的反射噪声)
消除反射的方法是在两条信号线末端跨接端接匹配电 阻。阻值为 R = term Zdiff=2 × Z0。加入 100Ω端接后,接收端 呈现出很好的差分信号(蓝色),如图。
使输出(驱动)到外部双绞线上产生 EMI 问题。 与单端信号传输相比,传输需要两倍数量的信号线。 需要理解新原理和设计规则,设计复杂程度增加。 10 年前,不到 50%采用了可控阻抗互连传输线,现在超 过 90%(美国)。如今不到 50%的电路板用了差分对,在未来 几年,90%的电路板会用差分设计(还是美国)。
根据阻抗的定义,差分信号的阻抗为:
(11.6)
式中:Zdiff 信号线对于差分信号的阻抗,即差分阻抗 Vdiff 跳变差分信号电压 Ione 流经每条信号线与其返回路径间的电流 Vone 每条信号线与其邻近返回路径间的电压 Z0 单端信号线的特性阻抗
差分阻抗是单端信号性阻抗的 2 倍。如果单端信号线的 特性阻抗是 50Ω,差分(特性)阻抗就是 2×50Ω=100Ω。
4. 因为每个信号都有自己的返回路径,所以差分信号 通过接插件或封装时,不易受到开关噪声的干扰。(此时差 分信号两根线互为返回路径,没有公用路径)
5. 使用价格低廉的双绞线即可实现远距离传输。 6. 和 PDS 的电源、地实现有效隔离。
差分信号的缺点: 存在导致 EMI 的潜在内因。一旦共模分量出现,可能
图 11.10 单位长度回路自感 L11、互感 L12。Ansoft 的 SI2D 仿真
两线间距小,耦合 C12/CL 或 L12/L11 就强。但最大耦合度 也不到 15%。间距大于 15mil(3 倍线宽)时,耦合度降到可 以忽略的 1%。
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A Scary Future
Smaller transistor channel lengths Short rise times Shorter design cycle times shorter rise times, higher clock frequencies signal integrity problems get worse designs must work the first time
TERMINATIONS
EMISSIONS ATTENUATION NON-MONOTONIC EDGES GROUND BOUNCE GROUND DISTRIBUTION SKIN DEPTH LOSSY LINES INDUCTANCE IR DROP LINE DELAY PARASITICS EMI/EMC SUSCEPTABILITY CAPACITANCE LOADED LINES POWER AND
What influences SSO Noise: Mutual inductance between the loops Number of SSOs dI/dt
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CRITICAL NET
SIGNAL INTEGRITY TRANSMISSION LINES
RINGING
RETURN CURRENT PATH IMPEDANCE DISCONTINUITIES
CROSSTALK
STUB LENGTHS GAPS IN PLANES REFLECTIONS RC DELAY DISPERSION
(~ 50 Ohms)
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Signal Integrity Engineering is about Finding and Fixing Problems
3 inch long PCB Trace 3 inch long PCB Trace
Series termination (~40 Ohms)
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A Guiding Principle
In order to solve a signal integrity problem you must first understand its root cause
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Signal Integrity Initially Looks Confusing
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Projected Increase in Clock Frequencies
3500 3000
Microprocessor based products
Clock Frequency (MHz)
2500 2000 1500
on-chip
on-board
1000 500 0 1996
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Overview
“There are two kinds of design engineers, those that have signal integrity problems, and those that will” • The four signal integrity problems • Why signal integrity will get harder to solve • The right design methodology • The role of accurate, high bandwidth measurements • Two case studies: switching noise, probing
Design of Circuit based on Performance of Previous Design 5 Days Manufacture
Redesign 3 Days
One Cycle 9 Weeks Average 2 Cycles/Design
(CAD 2 Days) 4 Weeks
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General SI Problem #1:
• If the instantaneous impedance a signal sees ever changes, some of the signal will reflect and the rest will be distorted.
Example: Gold Dot Interconnect from Delphi
General Construction
Applications
Courtesy of Laurie Taira-Griffin, Delphi
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The Old Build it and Test it Design/Manufacturing Cycle
DELTA I NOISE
UNDERSHOOT, OVERSHOOT MODE CONVERSION
RISE TIME DEGRADATION
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The Four High Speed Problems
1. Signal quality of one net: reflections and distortions from impedance discontinuities in the signal or return path 2. Cross talk between multiple nets: mutual C and mutual L coupling with an ideal return path and without an ideal return path
“There are two kinds of design engineers, those that have signal integrity problems, and those that will”
So what’s the right design methodology?
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1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
Year
Source: SIA Roadmap
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High Speed Serial Link Applications Drive High Frequency
Hypertransport
AGP8x 3GIO
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See additional Notes
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Conceptual Origin of Simultaneous Switching Output (SSO) Noise
• Ringing is often due to multiple reflections between impedance discontinuities at the ends
driver (low impedance)
3 inch long PCB Trace
receiver (high impedance)
• Critical processes for predicting signal integrity problems
Create equivalent circuit models for all components Simulate performance of components, critical nets and the whole system
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Role of Measurements
Verify a model and simulation from a calculation (anchor to reality)
Rules of thumb Analytic approximation Numerical tool: field solver, circuit simulation tool
On Chip
Icharge Idischarge
Active loop
Switching lines
Quiet data line
V SS V CC
Quiet loop
GND
L Bonding
common lead inductance
15836
L Bonding
Power
© 1991 Integrated Circuit Engineering Corporation
1.6 Gbps (400 MHz- 1.6 GHz)
2.1 Gbps (533 MHz) 2.5 Gbps (2 x 1.25 GHz)
Infiniband
OC-48 OC-192 RapidIO16 OC-768
2.5 Gbps (2.5 GHz)
2.488 Gbps ( 2.5 GHz) 9.953 Gbps ( 10 GHz) 32 Gbps (1 GHz, 16 bit mode) 39.81 Gbps ( 40 GHz)
Cross Section Confirm Physical Layout 2 Days
Test (TDR, VNA, BERT) 1-2 Weeks
Courtesy of Laurie Taira-Griffin, Delphi
SPICE Model 1 Week