高速電路的信號性分析

1、沈陽單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)幫您精確掌握電子器件的使用細(xì)節(jié)高速電路的信號完整性分析摘 要：介紹了高速 PCB 設(shè)計中的信號完整性概念以及破壞信號完整性的原因，從計算的層面上分析了高速電路設(shè)計中反射和串?dāng)_的形成原因，并介紹了 IBIS 仿真。：信號完整性 反射 串?dāng)_ IBIS 仿真隨著半導(dǎo)體技術(shù)和深壓微米工藝的不斷發(fā)展，IC 的開關(guān)速度目前已經(jīng)從幾十 MHz 增加到幾百 MHz，甚至達(dá)到幾 GHz。在高速 PCB 設(shè)計中，工程師經(jīng)常會碰到誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖、串?dāng)_等信號完整性問題。本文將探討它們的形成原因、計算方法以及如何采用IBIS 仿真方法解決這些問題。1、 信號完整性定義信號完整性（Signa

2、legrity，簡稱 SI）指的是信號線上的信號質(zhì)量。信號完整性差不是由單一造成的，而是由板級設(shè)計中多種共同引起的。破壞信號完整性的原因包括反射、地彈、串?dāng)_等。隨著信號工作頻率的不斷提高，信號完整性問題已經(jīng)成為高速 PCB 工程師關(guān)注的焦點。2、 反射21 反射的形成和計算傳輸線上的阻抗不連續(xù)會導(dǎo)致信號反射，當(dāng)源端與負(fù)載端阻抗不匹配時，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)；如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。反射回來的信號還會在源端再次形成反射，從而形成振蕩?，F(xiàn)以圖 1 所示的理想傳輸線模型為例，分析與信號反射有關(guān)的重要參數(shù)。圖 1，理想傳輸線 L 被內(nèi)阻為 R0

3、 的數(shù)字信號驅(qū)動源 Vs 驅(qū)動，傳輸線的特性阻抗為 Z0，負(fù)載阻抗為 RL。如果終端阻抗（B 點）跟傳輸線阻抗（A 點）不匹配，就會形成反射，反射回來的電壓幅值由負(fù)載反射系數(shù) L 決定。t 可由式（1）得出：L=（RL-Z0）/（RL+Z0）（1）從終端反射回的電壓到達(dá)源端時，可再次反射回負(fù)載端，形成二次反射，此時反射電壓的幅值由源反射系數(shù) s 決定，s 可由式（2）得出：s=(R0-Z0)/(R0+Z0)(2)精確計算反射系數(shù)和反射電壓的關(guān)鍵是確定傳輸線的特征阻抗，它不僅僅是印制線的電阻。1沈陽單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)幫您精確掌握電子器件的使用細(xì)節(jié)當(dāng)印制線上傳輸?shù)男盘査俣瘸^ 100MHz 時，必須將印

4、制線看成是帶有寄生電容和電感的傳輸線，而且在高頻下會有超膚效誚和電介質(zhì)損耗，這些都會影響傳輸線的特征阻抗。按照傳輸線的結(jié)構(gòu)，可以將它分為微帶線和帶狀線。211 表情微帶線的特性阻抗微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，其模型如圖 2 所示。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。計算公式如下：式中，Z0 是微帶線的特性阻抗（），w 是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t 是印制導(dǎo)線厚度（英寸）,h是電介質(zhì)厚度（英寸），r 是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。212 層間帶狀線的特性阻抗帶狀線是介于兩個接地層之間的印制導(dǎo)線，其模型如圖 3 所示。它的特性阻抗

5、和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個接層的距離有關(guān)。特性阻抗的計算公式如下：式中，Z0 是微帶線的特性阻抗（），w 是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t 是印制導(dǎo)線存度（英寸），h 是電介度厚度（英寸），r 是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。213 非對稱帶狀線的特性阻抗非對稱帶狀線模型如圖 4 所示。2沈陽單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)幫您精確掌握電子器件的使用細(xì)節(jié)特性阻抗的計算公式如下：式中，Z0 是微帶線的特性阻抗（），w 是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t 是印制導(dǎo)線存度（英寸）， h 是電介質(zhì)厚度（英寸），c 是印制導(dǎo)線之間的距離，r 是印制電路板電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。22 反射引起的問題及解決方法由于存在傳輸線效應(yīng)，從反射的角度來看，會出現(xiàn)以下信號完整性問題：（1）信號反射形成信號振蕩。反射回來的信號會在源端和終端