信号完整性知识基础(pdf)

现代的电子设计和芯片制造技术正在飞速发展，电子产品的复杂度、时钟和

总线频率等等都呈快速上升趋势，但系统的电压却不断在减小，所有的这一切加

上产品投放市场的时间要求给设计师带来了前所未有的巨大压力。要想保证产品

的一次性成功就必须能预见设计中可能出现的各种问题，并及时给出合理的解决

方案，对于高速的数字电路来说，最令人头大的莫过于如何确保瞬时跳变的数字

信号通过较长的一段传输线，还能完整地被接收，并保证良好的电磁兼容性，这

就是目前颇受关注的信号完整性（SI）问题。本章就是围绕信号完整性的问题，

让大家对高速电路有个基本的认识，并介绍一些相关的基本概念。

第一章 高速数字电路概述.....................................................................................5

1.1 何为高速电路...............................................................................................5

1.2 高速带来的问题及设计流程剖析...............................................................6

1.3 相关的一些基本概念...................................................................................8

第二章 传输线理论...............................................................................................12

2.1 分布式系统和集总电路.............................................................................12

2.2 传输线的RLCG 模型和电报方程...............................................................13

2.3 传输线的特征阻抗.....................................................................................14

2.3.1 特性阻抗的本质.................................................................................14

2.3.2 特征阻抗相关计算.............................................................................15

2.3.3 特性阻抗对信号完整性的影响.........................................................17

2.4 传输线电报方程及推导.............................................................................18

2.5 趋肤效应和集束效应.................................................................................23

2.6 信号的反射.................................................................................................25

2.6.1 反射机理和电报方程.........................................................................25

2.6.2 反射导致信号的失真问题.................................................................30

2.6.2.1 过冲和下冲.....................................................................................30

2.6.2.2 振荡：.............................................................................................31

2.6.3 反射的抑制和匹配.............................................................................34

2.6.3.1 串行匹配.........................................................................................35

2.6.3.1 并行匹配.........................................................................................36

2.6.3.3 差分线的匹配.................................................................................39

2.6.3.4 多负载的匹配.................................................................................41

第三章 串扰的分析...............................................................................................42

3.1 串扰的基本概念.........................................................................................42

3.2 前向串扰和后向串扰.................................................................................43

3.3 后向串扰的反射.........................................................................................46

3.4 后向串扰的饱和.........................................................................................46

3.5 共模和差模电流对串扰的影响.................................................................48

3.6 连接器的串扰问题.....................................................................................51

3.7 串扰的具体计算.........................................................................................54

3.8 避免串扰的措施.........................................................................................57

第四章 EMI 抑制....................................................................................................60

4.1 EMI/EMC 的基本概念..................................................................................60

4.2 EMI 的产生..................................................................................................61

4.2.1 电压瞬变.............................................................................................61

4.2.2 信号的回流.........................................................................................62

4.2.3 共模和差摸EMI ..................................................................................63

4.3 EMI 的控制..................................................................................................65

4.3.1 屏蔽.....................................................................................................654.3.1.1 电场屏蔽.........................................................................................65

4.3.1.2 磁场屏蔽.........................................................................................67

4.3.1.3 电磁场屏蔽.....................................................................................67

4.3.1.4 电磁屏蔽体和屏蔽效率.................................................................68

4.3.2 滤波.....................................................................................................71

4.3.2.1 去耦电容.........................................................................................71

4.3.2.3 磁性元件.........................................................................................73

4.3.3 接地.....................................................................................................74

4.4 PCB 设计中的EMI.......................................................................................75

4.4.1 传输线RLC 参数和EMI ........................................................................76

4.4.2 叠层设计抑制EMI ..............................................................................77

4.4.3 电容和接地过孔对回流的作用.........................................................78

4.4.4 布局和走线规则.................................................................................79

第五章 电源完整性理论基础...............................................................................82

5.1 电源噪声的起因及危害.............................................................................82

5.2 电源阻抗设计.............................................................................................85

5.3 同步开关噪声分析.....................................................................................87

5.3.1 芯片内部开关噪声.............................................................................88

5.3.2 芯片外部开关噪声.............................................................................89

5.3.3 等效电感衡量SSN ..............................................................................90

5.4 旁路电容的特性和应用.............................................................................92

5.4.1 电容的频率特性.................................................................................93

5.4.3 电容的介质和封装影响.....................................................................95

5.4.3 电容并联特性及反谐振.....................................................................95

5.4.4 如何选择电容.....................................................................................97

5.4.5 电容的摆放及Layout ........................................................................99

第六章 系统时序.................................................................................................100

6.1 普通时序系统...........................................................................................100

6.1.1 时序参数的确定...............................................................................101

6.1.2 时序约束条件...................................................................................106

6.2 源同步时序系统.......................................................................................108

6.2.1 源同步系统的基本结构...................................................................109

6.2.2 源同步时序要求...............................................................................110

第七章 IBIS 模型................................................................................................113

7.1 IBIS 模型的由来...................................................................................... 113

7.2 IBIS 与SPICE 的比较.............................................................................. 113

7.3 IBIS 模型的构成...................................................................................... 115

7.4 建立IBIS 模型......................................................................................... 118

7.4 使用IBIS 模型......................................................................................... 119

7.5 IBIS 相关工具及链接..............................................................................120

第八章 高速设计理论在实际中的运用.............................................................122

8.1 叠层设计方案...........................................................................................122

8.2 过孔对信号传输的影响...........................................................................127

8.3 一般布局规则...........................................................................................1298.4 接地技术...................................................................................................130

8.5 PCB 走线策略............................................................................................134