**部分信號(hào)完整性知識(shí)基礎(chǔ)
**章高速數(shù)字電路概述
現(xiàn)代的電子設(shè)計(jì)和芯片制造技術(shù)正在飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的復(fù)雜度、時(shí)鐘和總線頻率等等都呈快速上升趨勢(shì)，但系統(tǒng)的電壓卻不斷在減小，所有的這一切加上產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間要求給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了****的巨大壓力。要想**產(chǎn)品的一次性成功就必須能預(yù)見(jiàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，并及時(shí)給出合理的解決方案，對(duì)于高速的數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，***令人頭大的莫過(guò)于如何確保瞬時(shí)跳變的數(shù)字信號(hào)通過(guò)較長(zhǎng)的一段傳輸線，還能完整地被接收，并**良好的電磁兼容性，這就是目前頗受關(guān)注的信號(hào)完整性(SI)問(wèn)題。本章就是圍繞信號(hào)完整性的問(wèn)題，讓大家對(duì)高速電路有個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，并介紹一些相關(guān)的基本概念。
1.1 何為高速電路
“高速電路”已經(jīng)成為當(dāng)今電子工程師們經(jīng)常提及的一個(gè)名詞，但究竟什么是高速電路?這的確是一個(gè)“熟悉”而又“模糊”的概念。而事實(shí)上，業(yè)界對(duì)高速電路并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，通常對(duì)高速電路的界定有以下多種看法：有人認(rèn)為，如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過(guò)45MHZ-50MHZ，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量(比如說(shuō)1/3)，就稱為高速電路；也有人認(rèn)為高速電路和頻率并沒(méi)有什么大的聯(lián)系，是否高速電路只取決于它們的上升時(shí)間；還有人認(rèn)為高速電路就是我們?cè)缧┠隂](méi)有接觸過(guò)，或者說(shuō)能產(chǎn)生并且考慮到趨膚效應(yīng)的電路；更多的人則對(duì)高速進(jìn)行了量化的定義，即當(dāng)電路中的數(shù)字信號(hào)在傳輸線上的延遲大于1/2上升時(shí)間時(shí)，就叫做高速電路，本文也沿用這個(gè)定義作為考慮高速問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)。
此外，還有一個(gè)容易產(chǎn)生混淆的是“高頻電路”的概念，“高頻”和“高速”有什么區(qū)別呢?對(duì)于高頻，很多人的理解就是較高的信號(hào)頻率，雖然不能說(shuō)這種看法有誤，但對(duì)于高速電子設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，理解應(yīng)當(dāng)更為深刻，我們除了關(guān)心信號(hào)的固有頻率，還應(yīng)當(dāng)考慮信號(hào)發(fā)射時(shí)同時(shí)伴隨產(chǎn)生的高階諧波的影響，一般我們使用下面這個(gè)公式來(lái)做定義信號(hào)的發(fā)射帶寬，有時(shí)也稱為EMI發(fā)射帶寬：
F=1／(Tr*π)，F(xiàn)是頻率(GHz)；Tr(納秒)指信號(hào)的上升時(shí)間或下降時(shí)間。
通常當(dāng)F>100MHz的時(shí)候，就可以稱為高頻電路。所以，在數(shù)字電路中，是否是高頻電路，并不在于信號(hào)頻率的高低，而主要是取決于上升沿和下降沿。根據(jù)這個(gè)公式可以推算，當(dāng)上升時(shí)間小于3.185ns左右的時(shí)候，我們認(rèn)為是高頻電路。
對(duì)于大多數(shù)電子電路硬件設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，**沒(méi)有必要拘泥于概念的差異，心中應(yīng)該有個(gè)廣義的“高速”定義，那就是：如果在確保正確的電氣連接的前提下，電路仍不能穩(wěn)定的高性能工作，而需要進(jìn)行特殊的布局，布線，匹配，屏蔽等處理，那么，這就是“高速”設(shè)計(jì)。
1.2 高速帶來(lái)的問(wèn)題及設(shè)計(jì)流程剖析
雖然不少人對(duì)高速可能有了一點(diǎn)概念性的認(rèn)識(shí)，但往往難以想象在所謂的“高速”情況下，會(huì)真正給實(shí)際的電路系統(tǒng)帶來(lái)什么樣的后果，這里我舉幾個(gè)實(shí)際的案例來(lái)剖析一下高速給PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。
A．某公司早期開發(fā)的一個(gè)產(chǎn)品，一直工作良好，可是***近生產(chǎn)出來(lái)的一批卻總是毛病不斷，受到許多客戶的抱怨。可是根本沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何變動(dòng)，連使用的芯片也是同一型號(hào)的，原因是什么呢?
B．某個(gè)PCB工程師Layout經(jīng)驗(yàn)非常豐富，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品很少出過(guò)問(wèn)題，但***近設(shè)計(jì)了一塊PCB板，卻發(fā)現(xiàn)了EMC檢測(cè)不合格的問(wèn)題，改變布線也毫無(wú)效果，但以前類似的板子卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題。
C．一個(gè)**的內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)工程師，從EDO內(nèi)存到SDRAM的PC66，PC100，設(shè)計(jì)過(guò)很多項(xiàng)目，很少出現(xiàn)問(wèn)題，可是自從內(nèi)存時(shí)鐘頻率上到133MHz以上時(shí)，幾乎很少有設(shè)計(jì)能一次性通過(guò)的。
簡(jiǎn)單分析一下上面的幾個(gè)案例，A的情況是由于芯片的工藝改進(jìn)造成的，雖然所使用的芯片基本電路功能一樣，但隨著的IC制造工藝水平的提高，信號(hào)的上升沿變快了，于是出現(xiàn)了反射、串?dāng)_等信號(hào)不完整的問(wèn)題，從而導(dǎo)致突然失效；B例子中，通過(guò)細(xì)致地檢測(cè)，***終發(fā)現(xiàn)是PCB板上有兩個(gè)并排平行放置的電感元件，所以產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的EMI；C中的內(nèi)存設(shè)計(jì)師則是因?yàn)楹鲆暳藝?yán)格的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)要求，在頻率提高、時(shí)序要求更嚴(yán)格的情況下，非單調(diào)性和時(shí)鐘偏移等問(wèn)題造成了設(shè)計(jì)的內(nèi)存模塊無(wú)法啟動(dòng)。除了以上提到的三個(gè)實(shí)例，還有很多其他的問(wèn)題，比如因?yàn)殡娙菰O(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致電源電壓不穩(wěn)而無(wú)法工作，數(shù)模接地不正確產(chǎn)生的干擾太嚴(yán)重使得系統(tǒng)不穩(wěn)定等等。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，類似于以上的各種問(wèn)題層出不窮，而且可以預(yù)見(jiàn)，今后還會(huì)出現(xiàn)更多的這樣或那樣的問(wèn)題。所以，了解信號(hào)完整性理論，進(jìn)而指導(dǎo)和驗(yàn)證高速PCB的設(shè)計(jì)是一件刻不容緩的事情。
傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)一般經(jīng)過(guò)原理圖設(shè)計(jì)、布局、布線、優(yōu)化等四個(gè)主要步驟，由于缺乏高速分析和仿真指導(dǎo)，信號(hào)的質(zhì)量無(wú)法得到**，而且大部分問(wèn)題必須等到制板測(cè)試后才能發(fā)現(xiàn)，這大大降低了設(shè)計(jì)的效率，提高了成本，顯然在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，這種設(shè)計(jì)方法是很不利的。于是，針對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)，業(yè)界提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，稱為“自上而下”的設(shè)計(jì)方法，這是一種建立在實(shí)時(shí)仿真基礎(chǔ)上優(yōu)化的高效設(shè)計(jì)流程，見(jiàn)圖1-1-1：
圖1-1-1高速PCB設(shè)計(jì)流程
從上面的流程圖可以看到，高速的PCB設(shè)計(jì)在完成之前，經(jīng)過(guò)多方面的仿真、分析和優(yōu)化，避免了絕大部分可能產(chǎn)生的問(wèn)題，如果依托強(qiáng)大的EDA仿真工具，基本上能實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)即正確”目的。
在整個(gè)高速設(shè)計(jì)過(guò)程中，信號(hào)完整性工程師必須貫穿于設(shè)計(jì)的始終，Cadence公司的**顧問(wèn)Donald Telian曾給信號(hào)完整性工程師歸納了七點(diǎn)作用：
研究和定義(pioneering and defining)
分類和總結(jié)(Partitioning 和Approximating)
建模和測(cè)量(Modeling and Measuring)
設(shè)計(jì)和優(yōu)化(Designing and optimizing)
量化和驗(yàn)證(Quantifying and verifying)
減少和簡(jiǎn)化(Reducing and simplifying)
聯(lián)系和調(diào)試(Correlating and Debugging)
對(duì)于以上這七大作用的詳細(xì)闡述，可以參見(jiàn)1997 high performance system Design Conference上Donald Telian的原稿。
1.3 相關(guān)的一些基本概念
在具體討論信號(hào)完整性理論知識(shí)之前，這節(jié)中我們將對(duì)高速設(shè)計(jì)中經(jīng)常提到的一些基本名詞做些簡(jiǎn)單地整理和介紹，給初步接觸高速的設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)概念性的認(rèn)識(shí)。
信號(hào)完整性(Signal Integrity)：就是指電路系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量，如果在要求的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)能不失真地從源端傳送到接收端，我們就稱該信號(hào)是完整的。
傳輸線(Transmission Line)：由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成回路的連接線，我們稱之為傳輸線，有時(shí)也被稱為延遲線。
集總電路(Lumped circuit)：在一般的電路分析中，電路的所有參數(shù)，如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個(gè)點(diǎn)上，各個(gè)元件上，各點(diǎn)之間的信號(hào)是瞬間傳遞的，這種理想化的電路模型稱為集總電路。
分布式系統(tǒng)(Distributed System)：實(shí)際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處，當(dāng)這種分散性造成的信號(hào)延遲時(shí)間與信號(hào)本身的變化時(shí)間相比己不能忽略的時(shí)侯，整個(gè)信號(hào)通道是帶有電阻、電容、電感的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這就是一個(gè)典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。
上升/下降時(shí)間(Rise/Fall Time)：信號(hào)從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r(shí)間，通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時(shí)間，記為Tr。
截止頻率(Knee Frequency)：這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍(0．5/Tr)，記為Fknee。，一般認(rèn)為超過(guò)這個(gè)頻率的能量對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸沒(méi)有任何影響。
特征阻抗(Characteristic Impedance)：交流信號(hào)在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗，也稱為浪涌阻抗，記為Zo。可以通過(guò)傳輸線上輸入電壓對(duì)輸入電流的比率值(V/I)來(lái)表示。
傳輸延遲(Propagation delay)：指信號(hào)在傳輸線上的傳播延時(shí)，與線長(zhǎng)和信號(hào)傳播速度有關(guān)，記為tpd
微帶線(Micro-Strip)：指只有一邊存在參考平面的傳輸線。
帶狀線(Strip-Line)：指兩邊都有參考平面的傳輸線。
趨膚效應(yīng)(Skin effect)：指當(dāng)信號(hào)頻率提高時(shí)，流動(dòng)電荷會(huì)漸漸向傳輸線的邊緣靠近，甚***中間將沒(méi)有電流通過(guò)。與此類似的還有集束效應(yīng)，現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。
反射(Reflection)：指由于阻抗不匹配而造成的信號(hào)能量的不**吸收，發(fā)射的程度可以有反射系數(shù)p表示。
過(guò)沖/下沖(Over shoot/under shoot)：過(guò)沖就是指接收信號(hào)的**個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓——對(duì)于上升沿是指**個(gè)峰值超過(guò)**電壓；對(duì)于下降沿是指**個(gè)谷值超過(guò)**電壓，而下沖就是指第二個(gè)谷值或峰值。
振蕩：在一個(gè)時(shí)鐘周期中，反復(fù)的出現(xiàn)過(guò)沖和下沖，我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴(Ringing)和環(huán)繞振蕩，振鈴為欠阻尼振蕩，而環(huán)繞振蕩為過(guò)阻尼振蕩。
匹配(Ternlination)：指為了消除反射而通過(guò)添加電阻或電容器件來(lái)達(dá)到阻抗一致的效果。因?yàn)橥ǔ２捎迷谠炊嘶蚪K端，所以也稱為端接。
串?dāng)_：串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾，這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。
信號(hào)回流(Return current)：指伴隨信號(hào)傳播的返回電流。
自屏蔽(Self shielding)：信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，靠大電容耦合抑制電場(chǎng)，靠小電感耦合抑制磁場(chǎng)來(lái)維持低電抗的方法稱為自屏蔽。
前向串?dāng)_(Forward Crosstalk)：指干擾源對(duì)犧牲源的接收端產(chǎn)生的**次干擾，也稱為遠(yuǎn)端干擾(Far-end crosstalk)。
后向串?dāng)_(Forward Crosstalk)：指干擾源對(duì)犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的**次干擾，也稱為近端干擾(Near-end crosstalk)。
屏蔽效率(SE)：是對(duì)屏蔽的適用性進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)參數(shù)，單位為分貝。
吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過(guò)屏蔽罩的時(shí)候能量損耗的數(shù)量。
反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導(dǎo)致的能量損耗的數(shù)量，他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。
校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù)，由于屏蔽物吸收效率不高，其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過(guò)屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個(gè)負(fù)數(shù)，而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個(gè)反射的情況分析。
差模EMI：傳輸線上電流從驅(qū)動(dòng)端流到接收端的時(shí)候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI，就叫做差模EMI。
共模EMI：當(dāng)兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動(dòng)端輸出到接收端的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生共模輻射，既共模EMI。
發(fā)射帶寬：即**頻率發(fā)射帶寬，當(dāng)數(shù)字集成電路從邏輯高低之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候，輸出端產(chǎn)生的方波信號(hào)頻率并不是導(dǎo)致EMI的**成分。該方波中包含頻率范圍更寬廣的正弦諧波分量，這些正弦諧波分量是工程師所關(guān)心的EMI頻率成分，而**的EMI頻率也稱為EMI的發(fā)射帶寬。
電磁環(huán)境：存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。
電磁騷擾：任何能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或者對(duì)有生命或者無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。
電磁干擾：電磁騷擾引起設(shè)備、傳輸通道和系統(tǒng)性能的下降。
電磁兼容性：設(shè)備或者系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。
系統(tǒng)內(nèi)干擾：系統(tǒng)中出現(xiàn)由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾引起的電磁干擾。
系統(tǒng)間干擾：有其他系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)一個(gè)系統(tǒng)造成的電磁干擾。
靜電放電：具有不同靜電電位的物體相互接近或者接觸時(shí)候而引起的電荷轉(zhuǎn)移。
建立時(shí)間(setup Time)：建立時(shí)間就是接收器件需要數(shù)據(jù)提前于時(shí)鐘沿穩(wěn)定存在于輸入端的時(shí)間。
保持時(shí)間(Hold Time)：為了成功的鎖存一個(gè)信號(hào)到接收端，器件必須要求數(shù)據(jù)信號(hào)在被時(shí)鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個(gè)***小的時(shí)間就是我們說(shuō)的保持時(shí)間。
飛行時(shí)間(Flight Time)：指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩耍⑦_(dá)到一定的電平之間的延時(shí)，和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。
Tco：是指器件的輸入時(shí)鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號(hào)有效的時(shí)間差，這是信號(hào)在器件內(nèi)部的所有延遲總和，一般包括邏輯延遲和緩沖延遲。
緩沖延遲(buffer delay)：指信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器達(dá)到有效的電壓輸出所需要的時(shí)間
時(shí)鐘抖動(dòng)(Jitter)：時(shí)鐘抖動(dòng)是指時(shí)鐘觸發(fā)沿的隨機(jī)誤差，通常可以用兩個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期差值來(lái)量度，這個(gè)誤差是由時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和后期布線沒(méi)有關(guān)系。
時(shí)鐘偏移(Skew)：是指由同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生的多個(gè)子時(shí)鐘信號(hào)之間的延時(shí)差異。
假時(shí)鐘：假時(shí)鐘是指時(shí)鐘越過(guò)閾值(threshold)無(wú)意識(shí)地改變了狀態(tài)(有時(shí)在VIL或VIH之間)。通常由于過(guò)分的下沖(undershoot)或串?dāng)_(crosstalk)引起。
電源完整性(Power Integrity)： 指電路系統(tǒng)中的電源和地的質(zhì)量。
同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switch Noise)：指當(dāng)器件處于開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生瞬間變化的電流(di/dt)，在經(jīng)過(guò)回流途徑上存在的電感時(shí)，形成交流壓降，從而引起噪聲，簡(jiǎn)稱SSN。也稱為△i噪聲。
地彈(Ground Bounce)：指由于封裝電感而引起地平面的波動(dòng)，造成芯片地和系統(tǒng)地不一致的現(xiàn)象。同樣，如果是由于封裝電感引起的芯片和系統(tǒng)電源差異，就稱為電源反彈(Power Bounce)。
