信号完整性分析汇总.doc
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一所要面临的问题
二一些有用的常识
三电感电容及电阻的基础以及要注意的问题
四传输线的问题以及反射等问题
五有损线的损耗
六差分信号和查分对的问题
一所要面临的问题
一单一网络的信号完整性
二两个或多个网络间的串扰
三电源和地分配中的轨道塌陷
四来自整个系统中的电磁干扰和辐射
一个重要的概念
1:带宽的问题(注释2)
对任意一个非理想的方波信号而言(电子系统这种波形非常常见,比如系统的时钟),该信号均可认为是由同频率的基波信号和高次谐波叠加而成。假设一个1GHz 的时钟它是有1G 的基波加3次谐波再加5次谐波再加7次谐波组成的。那个这个时钟信号的带宽就是7G.如果加到31次谐波了,那么这个信号的带宽就是31G。随着叠加的谐波数越多叠加后的信号就越接近完美的方波。换句话说那就是10%到90%上升时间越小。可见信号的上升时间决定了信号的带宽。
这样确定系统时钟的上升时间就非常重要了。
为什么上升时间会这么重要呢?下面举例说明:
大多数电路板而言会采用FR4板材,FR4板并非理想的无耗板材。损耗的机理有两种第一导体损耗,第二介质损耗。比损耗更为严重的是损耗对不同频率信号的损耗是不同,因为在物理上这涉及到介质充放电过程的快慢以及带来的损耗。对一个4英寸(4000mil)的FR4传输线而言,这样的导线对8GHz的信号损耗达到能量的50%或幅值的70%.试想如果用这样的线去传导一个带宽为9G的1GHz的方波会怎样?结果就是组成这个方波的信号中九次谐波分量被严重损耗,而其他谐波分量也将不同成度的损耗。这就导致方波的上升沿退化,比如原来上升边是50ps变成了1.5ns。如果传输的信号频率是10MHz影响不大。如果传输信号是500M,(2ns的周期)这下麻烦就大了去了。
下面引入带宽和上升时间的关系
这是一个近似的经验上的估计:对于10%到90%上升时间来讲关系为:
BW=0.35/RT(RT为10%到90%上升时间)
也有一些资料给的上升时间是20%-80%上升时间。用线性变化过去就行。
比如说信号的上升时间为1ns,则其带宽就到了0.35GHz。而上升时间为1ns的信号很可能就是100M的时钟。
还会有一些比较尴尬的情况,不如无法得知准确的上升时间。要知道不是时钟的频率而是上升时间决定了带宽。从原理上将上升时间一定要小于周期的50%,在很多处理中典型的上升时间很可能是周期的10%,而这个时间会随着不同的器件波动,有一个合理的归纳为上升时间是周期的7%。按着来算带宽为频率的5倍。
BWclock=5*Fclock。
互联线的带宽:互联线的带宽指的是能被互联线传输且损耗不是很大的最高正弦波频率分量。(注释3)
损耗不是很大是很难定义的,到底多大是很大。不同方向有不同的标准。在这里我们用幅值减少为入射值的70%来定义。
本证上升时间:RTinterconnect=0.35/互联线的带宽。
比如以上例来讲,4英寸50欧的FR4线互联线带宽为8G。那么该互联线的本征上升时间为:RTinterconnect=0.35/8GHz=0.043ns.
一个信号输入一条互联线的信号的输出上升时间为:
RTout*RTout=RTin*RTin+RTinterconnect*RTinterconnect;
例如在4英寸的互联线中输入上升时间为50ps的信号,那么信号经传输后的上升时间为:sqrt(50*50+43*43)ps=67ps。
要使互联线对信号的上升时间造成的增量不超过10%,互联线的本征上升时间就要小于该信号上升时间的50%。
从频域的角度来看,为了较好的传输1G的信号则互联线的带宽最少为信号带宽的两倍。
下面分别从四个方面来谈这几个问题:
一单一网络的信号完整性:.
如果信号感受到的阻抗保持不变,则信号就不会失真。然而,一旦阻抗发生变化,信号就会在变化处发生反射,并在通过互联线的剩余部分时发生失真。如果阻抗改变程度足够大,失真就会导致错误的触发。 最常见的突变发生在线条端点处,通常是驱动源输出端开路高阻或者低阻。
以下有几个方面会导致阻抗的突变,布板时要注意:
1:线宽的变化
2:层的变换
3:返回路径平面上的间隙(注释1)
4:接插件
5:分支线,T型线或桩线
6:网络末端
通常认为的振铃现象实际上是由阻抗突变产生的反射引起的,解决上述问题的基本办法有一下几种:
1:使用线条阻抗为常量的或者可控的电路板,这通常意味这使用均匀的传输线。
2:提供使沿线阻抗保持不变的拓扑结构和布线规则。
3:最后,在关键的地方放置电阻来控制反射并设法使接受到的信号干净些
任何突变对信号产生的影响与信号的上升边有关,随着上升边变短,失真的幅度增大。
传输线的特征阻抗以及传输线的基础
1:地(注释4)
在高频时,信号路径和返回路径的回路电感要最小化,这就意味这只要导体的
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