中興通訊硬件一部巨作-信號(hào)完整性綜述

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1、 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 張士賢編寫 中興通訊上海第一研究所 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 前 言 近年來，通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越快，高速數(shù)字電路在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來越多，數(shù)

2、字接入設(shè)備的交換能力已從百兆、千兆發(fā)展到幾十千兆。高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)完整性技術(shù)的需求越來越迫切。 在中、大規(guī)模電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 系統(tǒng)地綜合運(yùn)用信號(hào)完整性技術(shù)可以帶來很多好處，如縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、降低研發(fā)成本、提高產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品可靠性。 數(shù)字電路在具有邏輯電路功能的同時(shí)， 也具有豐富的模擬特性， 電路設(shè)計(jì)工程師需要通過精確測(cè)定、 或估算各種噪聲的幅度及其時(shí)域變化， 將電路抗干擾能力精確分配給各種噪聲，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和權(quán)衡，控制總噪聲不超過電路的抗干擾能力，保證產(chǎn)品性能的可靠 實(shí)現(xiàn)。 為了滿足中興上研一所的科研需要， 我們?cè)谌ツ旰徒衲觋P(guān)于信號(hào)完整性技術(shù)合作

3、的基礎(chǔ)上，克服時(shí)間緊、任務(wù)重的困難，編寫了這份硬件設(shè)計(jì)培訓(xùn)系列教材的“信號(hào)完整性” 部分。由于我們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)所限，這部分教材肯定有不完善之處，歡迎廣大讀者和專家批評(píng)指正。 本教材的對(duì)象是所內(nèi)硬件設(shè)計(jì)工程師， 針對(duì)我所的實(shí)際情況， 選編了第一章——導(dǎo)論、第二章——數(shù)字電路工作原理、第三章——傳輸線理論、第四章——直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 相信會(huì)給大家?guī)硪嫣帯?同時(shí)，也希望通過我們的不懈努力能消除大家在信號(hào)完整性方面的煩腦。 在編寫本教材的過程中，得到了沙國(guó)海、張亞東、沈煜、何廣敏、鐘建兔、劉輝、曹俊等的指導(dǎo)和幫助，尤其在審稿時(shí)提出了很多建設(shè)性的意見，在此一并致謝！

4、 張士賢 2000 年 10 月 31 日 1 ZTE 中興 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和縮略語(yǔ) 術(shù)語(yǔ) 1． 信號(hào)完整性（ Signal Integrity ） 信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量。 信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指當(dāng)在需要的時(shí)候具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。 2． 傳輸線（ Transmission Line ） 傳輸線是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（導(dǎo)線

5、） ，并且它的電流返回到地或電源。 3． 特性阻抗（ Characteristic Impedance ） 組成信號(hào)傳輸回路的兩個(gè)導(dǎo)體之間存在分布電感和分布電容，當(dāng)信號(hào)沿該導(dǎo)體傳輸 時(shí)，信號(hào)的躍變電壓（ V ）和躍變電流（ I）的比值稱為特性阻抗（ Z0），即 Z0=V/I 。 4．反射 （ Reflection ） 反射就是在傳輸線上的回波。 信號(hào)功率 （電壓和電流） 的一部分傳輸?shù)骄€上并達(dá)到負(fù)載處，但是有一部分被反射了。如果源端與負(fù)載端具有相同的阻抗，反射就不會(huì)發(fā)生。 5．串?dāng)_ （ Crosstalk ） 串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合。 信號(hào)線之間的

6、互感和互容引起線上的噪聲。 容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。 6．過沖 （ Overshoot ） 過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓。 對(duì)于上升沿是指最高電壓， 而對(duì)于下降沿是指最低電壓。過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過早地失效。 7．下沖 （ Undershoot ） 下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。過分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（誤操作）。 8．電路延遲 指信號(hào)在器件內(nèi)傳輸所需的時(shí)間（ T pd） 。例如， TTL 的電路延遲在 3 ~ 20nS 范圍。 9． 邊沿時(shí)間 器件輸出狀態(tài)從邏輯低電平躍變到高電平所需要的

7、時(shí)間 （信號(hào)波形的 10~90% ），通常表示為上升沿（ T r）。器件輸出狀態(tài)從邏輯高電平下降到低電平所需要的時(shí)間（信號(hào)波形 的 90~10% ），通常表示為下降沿（ Tf ）。 10．占空比偏斜 信號(hào)傳輸過程中， 從低電平到高電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間與從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間之間的差別，稱為占空比偏斜。 TTL 和 CMOS 信號(hào)的占空比偏斜問題較為突出，主要是因?yàn)槠漭敵龅纳仙睾拖陆笛匮舆t不同。 11．輸出到輸出偏斜 同一器件不同輸出引腳之間的信號(hào)延遲差別，稱為輸出到輸出偏斜。 12．器件到器件偏斜 由于制造工藝和使用環(huán)境的變化， 造成的不同器件對(duì)應(yīng)引腳

8、之間的信號(hào)延遲差別， 稱 為器件到器件偏斜。通常，器件之間的偏差遠(yuǎn)大于其他類型的偏斜。 13．動(dòng)態(tài)偏斜 主要是指由于溫度變化、 地或電源噪聲造成閥值電平隨時(shí)間漂移， 從而產(chǎn)生信號(hào)延遲的變 化。 ZTE 中興 2 I OH I OL V ILMAX V IHMIN V OLMAX V OHMIN V T V IL V IH V OL V OH 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 符號(hào)和縮略語(yǔ) —— 輸出高電平 —— 輸出低電平 —— 輸入高電平 —— 輸入低電平 —— 閥值電平 — — 輸出高電平最小值

9、 —— 輸出低電平最大值 —— 輸入高電平最小值 —— 輸入低電平最大值 —— 輸出低電平電流 —— 輸出高電平電流 3 ZTE 中興 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 目錄 第 1 章 高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性分析導(dǎo)論.....

10、.................................................................... 7 1.1. 基本概念 ................................................................................................................................ 7 1.2. 理想的數(shù)字信號(hào)波形 ...............................................................

11、............................................. 7 1.2.1. 理想的 TTL 數(shù)字信號(hào)波形 ........................................................................................... 7 1.2.2. 理想的 CMOS 數(shù)字信號(hào)波形 ....................................................................................... 7 1.2.3. 理想的 ECL

12、 數(shù)字信號(hào)波形 .......................................................................................... 8 1.3. 數(shù)字信號(hào)的畸變 (或信號(hào)不完整 ) .......................................................................................... 8 1.3.1. 地線電阻的電壓降的影響 —— 地電平 (0 電平 )直流引起的低電平提高 ................... 8 1.3

13、.2. 信號(hào)線電阻的電壓降的影響 ........................................................................................ 8 1.3.3. 電源線電阻的電壓降的影響 ...................................................................................... 10 1.3.4. 轉(zhuǎn)換噪聲 ...........................................................

14、........................................................... 11 1.3.5. 串?dāng)_噪聲 ...................................................................................................................... 11 1.3.6. 反射噪聲 .....................................................................................

15、................................. 12 1.3.7. 邊沿畸變 ...................................................................................................................... 12 1.4. 研究的目的 ...............................................................................................................

16、........... 13 1.4.1. 降低產(chǎn)品成本（略） .................................................................................................. 13 1.4.2. 縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本（略） ...................................................................... 13 1.4.3. 提高產(chǎn)品性能（略） ......................................

17、............................................................ 13 1.4.4. 提高產(chǎn)品可靠性 .......................................................................................................... 13 1.5. 研究領(lǐng)域 .............................................................................................

18、................................. 14 1.5.1. 各種電路工作原理（略） .......................................................................................... 14 1.5.2. 各種電路噪聲容限（略） .......................................................................................... 14 1.5.3. 各種電路在系統(tǒng)中的噪聲（略） ..

19、............................................................................ 14 1.5.4. 系統(tǒng)各部件的頻率特性（略） .................................................................................. 14 1.5.5. 信號(hào)傳輸（略） .........................................................................................

20、................. 14 1.5.6. 信號(hào)延遲（略） .......................................................................................................... 14 1.5.7. PCB 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（略） .................................................................................................. 14 1.5.8. 電源分配設(shè)計(jì)（略） ....

21、.............................................................................................. 14 1.5.9. 地、電源濾波（略） .................................................................................................. 14 1.5.10. 熱設(shè)計(jì)（略） .............................................................

22、............................................... 14 1.6. 研究手段 .............................................................................................................................. 14 1.6.1. 物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（略） ....................................................................................

23、.............. 14 1.6.2. 數(shù)學(xué)模型計(jì)算（略） .................................................................................................. 14 1.6.3. 軟件模擬分析（略） .................................................................................................. 14 1.6.4. 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則估計(jì) ..................

24、............................................................................................ 14 第 2 章 數(shù)字電路工作原理 ............................................................................................................... 15 2.1. 數(shù)字電路分類 ....................................................

25、.................................................................. 15 2.1.1. GAAS( 砷化鉀 )速度快 ,但功耗大 ,制作原料劇毒 ,未成熟使用； ............................... 15 2.1.2. 硅：使用極為廣泛，處于不斷發(fā)展中； .................................................................. 15 2.2. 基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) .............................

26、..................................................................................... 17 2.2.1. TTL ................................................................................................................................ 17 ZTE 中興 4 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 2.2.2. CMOS 速度接近于 TTL ，功耗小，

27、單元尺寸小，適合于大規(guī)模集成 ................... 17 2.2.3. LVDS ：低電壓數(shù)字系統(tǒng) ............................................................................................. 17 2.2.4. ECL （PECL ） ............................................................................................................. 18 2.3

28、. 電路特性 .............................................................................................................................. 19 2.3.1. 轉(zhuǎn)換特性 ...................................................................................................................... 19 2.3.2. V/I 特性 :電壓與電流之

29、間的關(guān)系特性曲線 ................................................................ 21 2.3.3. 熱特性及壽命 .............................................................................................................. 23 2.3.4. 直流噪聲容限 NMDC ..................................................................

30、..................................... 24 2.3.5. 交流噪聲容限 NMAC ................................................................................................. 25 2.4. 電路互連 .........................................................................................................................

31、..... 26 2.4.1. 工作電壓：器件工作時(shí)，施加于器件電源腳上的電壓.......................................... 26 2.4.2. 邏輯電平范圍 .............................................................................................................. 26 2.4.3. 噪聲（ N ） ..............................................................

32、..................................................... 26 2.5. 電路選型基本原則 .............................................................................................................. 27 2.5.1. 采用標(biāo)準(zhǔn)器件 ............................................................................................

33、.................. 27 2.5.2. 夠用原則，不追求高性能 .......................................................................................... 27 2.5.3. 盡可以減少品種和類型。 .......................................................................................... 27 第 3 章 傳輸線理論 ............................

34、............................................................................................... 28 3.1. 基本概念 .............................................................................................................................. 28 3.2. 傳輸線基本特性 : ......................................

35、........................................................................... 29 3.2.1. 傳輸線特性阻抗 .......................................................................................................... 30 3.2.2. 傳輸線的時(shí)間延遲 ........................................................................

36、.............................. 32 3.3. 傳輸線的分類 ...................................................................................................................... 33 3.3.1. 非平衡式傳輸線 ..........................................................................................................

37、33 3.3.2. 平衡式傳輸線 .............................................................................................................. 33 3.4. 常用傳輸線 .......................................................................................................................... 35 3.4.1. 圓導(dǎo)線 ...........

38、............................................................................................................... 35 3.4.2. 微帶線 .......................................................................................................................... 36 3.4.3. 帶狀線 ...............................

39、........................................................................................... 36 3.5. 反射和匹配 .......................................................................................................................... 37 3.5.1. 反射系數(shù) .................................................

40、..................................................................... 37 3.5.2. 反射的計(jì)算： .............................................................................................................. 38 3.5.3. 傳輸線的臨界長(zhǎng)度 ...........................................................................

41、........................... 41 3.5.4. 終端的匹配和端接 ...................................................................................................... 41 3.6. 串?dāng)_：串?dāng)_模型圖如下 ...................................................................................................... 43 3.7. 負(fù)載效應(yīng) .

42、............................................................................................................................. 44 3.7.1. 直流負(fù)載和交流負(fù)載 .................................................................................................. 44 3.7.2. 最小間隔 .................................

43、..................................................................................... 44 3.7.3. 集中負(fù)載 ...................................................................................................................... 45 3.7.4. 分布負(fù)載 ...........................................................

44、........................................................... 45 3.7.5. 徑向負(fù)載 ...................................................................................................................... 45 3.8. 負(fù)載驅(qū)動(dòng)方式 ...................................................................................

45、................................... 45 3.8.1. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) .......................................................................................................................... 45 3.8.2. 串推 ............................................................................................................

46、.................. 45 5 ZTE 中興 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 3.8.3. 星型 .............................................................................................................................. 46 3.8.4. 扇型 .......................................................................................

47、....................................... 46 3.9. 傳輸線損耗和信號(hào)質(zhì)量 ...................................................................................................... 46 3.9.1. 集膚效應(yīng) ..................................................................................................................

48、.... 46 3.9.2. 鄰近效應(yīng) ...................................................................................................................... 47 3.9.3. 輻射損耗 ...................................................................................................................... 47 3.9.4. 介質(zhì)損耗 ...

49、................................................................................................................... 47 第 4 章 直流電源分布系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 48 4.1. 基本概念 ......................................

50、........................................................................................ 48 4.1.1. 電源分布系統(tǒng) .............................................................................................................. 48 4.1.2. 平面 ...............................................................

51、............................................................... 48 4.1.3. 平面（ PLANE ）為電流回路提供最低阻抗回路 ..................................................... 48 4.2. 設(shè)計(jì)目標(biāo) .............................................................................................................................

52、. 48 4.2.1. 為數(shù)字信號(hào)提供穩(wěn)定的電壓參考； .......................................................................... 48 4.2.2. 為邏輯電路提供低阻抗的接地連接； ...................................................................... 48 4.2.3. 為邏輯電路提供低阻抗的電源連接； .........................................................

53、............. 48 4.2.4. 為電源和地提供低交流阻抗的通路； ...................................................................... 48 4.2.5. 為數(shù)字邏輯電路工作提供電源 .................................................................................. 49 4.3. 一般設(shè)計(jì)規(guī)則 ...................................................

54、................................................................... 50 4.4. 多層板的疊層結(jié)構(gòu) .............................................................................................................. 51 4.4.1. 疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素 ....................................................................

55、...... 51 4.4.2. 在高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的一般規(guī)則是 .............................................................................. 51 4.5. 電流回路 .............................................................................................................................. 52 4.5.1. 基本概念 ......................

56、................................................................................................ 52 4.5.2. 環(huán)路面積 ...................................................................................................................... 53 4.5.3. 參考平面的開槽 ............................................

57、.............................................................. 53 4.5.4. 連接器的隔離盤 .......................................................................................................... 53 4.6. 去耦電容極其應(yīng)用 ......................................................................................

58、........................ 54 4.6.1. 去耦電容 ...................................................................................................................... 54 4.6.2. 低頻大容量去耦電容（ BULK ）................................................................................ 55 4.6.3. 高頻去耦電容 .....

59、......................................................................................................... 56 4.6.4. 多層片式陶瓷電容的材料選擇 .................................................................................. 58 4.6.5. 表面貼裝電容的布局和布線 ......................................................

60、................................ 58 4.6.6. 多層印制板中的平面電容 .......................................................................................... 59 4.6.7. 埋入式電容 .................................................................................................................. 59 4.7. 噪聲抑制

61、 .............................................................................................................................. 61 4.7.1. 系統(tǒng)電源變化 .............................................................................................................. 61 4.7.2. 系統(tǒng)電源的電位差 .................

62、..................................................................................... 61 4.7.3. 系統(tǒng)邏輯地的電位差 .................................................................................................. 61 4.7.4. 地電平抖動(dòng) ........................................................................

63、.......................................... 61 ZTE 中興 6 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) 第 1章 高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性分析導(dǎo)論 1.1. 基本概念 高速數(shù)字設(shè)計(jì) (High-Speed Digital Design)強(qiáng)調(diào)被動(dòng)元件的特性及其對(duì)電路性能的影 響， 包括導(dǎo)線、印制電路板以及集成電路封裝等等； 高速數(shù)字設(shè)計(jì)研究被動(dòng)元件如何影響信號(hào)傳輸 (振鈴和反射 )， 信號(hào)之間的相互作用 (串?dāng)_ )； 信號(hào)完整性

64、 (Signal Integrity ，以下簡(jiǎn)稱 SI) 是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量。 信號(hào)具有 良好的信號(hào)完整性是指當(dāng)在需要的時(shí)候具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值； 信號(hào)完整性是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，分析討論系統(tǒng)信號(hào)完整性是非常必要的。 1.2. 理想的數(shù)字信號(hào)波形 無論是哪一種數(shù)字集成電路，理想的數(shù)字信號(hào)是指器件廠家提供的輸出高電平 (VOH) 、低電平 (VOL) 、上升沿 (tr) 和下降沿 (tf) 等參數(shù)所描述的信號(hào)波形。 1.2.1. 理想的 TTL 數(shù)字信號(hào)波形 下圖所示為理想的 TTL （含 LVTTL ）數(shù)字信號(hào)波形

65、 V VOH VT VOL t VOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VT=1.5V 30mV （參考電平） 1.2.2. 理想的 CMOS 數(shù)字信號(hào)波形 下圖所示為理想的 CMOS 數(shù)字信號(hào)波形 V VOH VT VOL t VOHmin=4.44V VOLmax=0.5V VT=2.5V (+5V 時(shí) ) 7 ZTE 中興 信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí) VOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VT=1.5V (+3.3V 時(shí) )

66、 1.2.3. 理想的 ECL 數(shù)字信號(hào)波形 下圖所示為理想的 ECL 數(shù)字信號(hào)波形 t V O H V BB V OL v VOHmin=-0.96V VOLmax=-1.65V VBB=-1.29V 30mV （參考電平） IC 在系統(tǒng)應(yīng)用中不可能達(dá)到理想的程度， 由于受到多種因素的影響，信號(hào)波形會(huì)產(chǎn) 生各種變化， 但是這些變化的程度必須嚴(yán)格加以限制， 使之達(dá)到可以接受的程度。主 要有哪些方面的設(shè)計(jì)上的問題會(huì)造成影響或者變化，又有多大的變化，它們之間有什么 關(guān)系等都是值得討論分析的。 1.3. 數(shù)字信號(hào)的畸變 (或信號(hào)不完整 ) 本節(jié)只討論 TTL 信號(hào)發(fā)生的畸變，是因?yàn)閺哪壳笆褂玫那闆r來看， CMOS 電路的輸 入、輸出等外部接口電路已和 TTL 兼容，而 ECL 電路用得很少， 這里不加以討論。 還 有一些其他數(shù)字電路， 如 LVDS 、 GTL 、 NMOS 、PMOS 等， 本節(jié)也不加以討論 1.3.1. 地線電阻的電