信號(hào)完整性分析課件

課程大綱SI簡(jiǎn)介信號(hào)產(chǎn)生基本原理信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法信號(hào)時(shí)序測(cè)試方法示波器基礎(chǔ)知識(shí)常見(jiàn)的SI問(wèn)題SI分析信號(hào)完整性分析實(shí)例電子設(shè)計(jì)中的SI問(wèn)題建模與仿真信號(hào)完整性的仿真例子4/20/20231Olica

SI簡(jiǎn)介信號(hào)產(chǎn)生基本原理信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法信號(hào)時(shí)序測(cè)試方法示波器基礎(chǔ)知識(shí)常見(jiàn)的SI問(wèn)題SI分析信號(hào)完整性分析實(shí)例電子設(shè)計(jì)中的SI問(wèn)題建模與仿真信號(hào)完整性的仿真例子4/20/20232OlicaSI簡(jiǎn)介

SI的重要性

隨著高頻數(shù)字電路的不斷發(fā)展，SI問(wèn)題變得越來(lái)越引人注目，數(shù)字電路的頻率越高，出現(xiàn)SI問(wèn)題的可能性就越大，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，他的挑戰(zhàn)也就越大。很多SI問(wèn)題實(shí)際上都是自然界中的電磁現(xiàn)象，所以SI問(wèn)題跟EMI/EMC是息息相關(guān)的。4/20/20233OlicaSI簡(jiǎn)介

學(xué)習(xí)SI的目的a.什么是典型的信號(hào)完整性問(wèn)題？b.這些問(wèn)題來(lái)自哪里？c.為什么有必要去理解SI問(wèn)題？d.如何去分析和解決SI問(wèn)題？e.如何去做SI測(cè)試？4/20/20234OlicaSI簡(jiǎn)介

SI的內(nèi)容信號(hào)完整性它包含兩方面的內(nèi)容，一是獨(dú)立信號(hào)的質(zhì)量，另一個(gè)是時(shí)序。我們?cè)陔娮釉O(shè)計(jì)的過(guò)程中不得不考慮兩個(gè)問(wèn)題：信號(hào)有沒(méi)有按時(shí)到達(dá)目的地？信號(hào)達(dá)到目的地后它的質(zhì)量如何？所以我們做信號(hào)完整性分析的目的就是確認(rèn)高頻數(shù)字傳輸?shù)目煽啃浴?/20/20235OlicaSI簡(jiǎn)介理想邏輯電壓波形

在數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)以邏輯‘0’或者‘1’的方式從一個(gè)器件傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)器件，信號(hào)到底是‘0’還是‘1’一般來(lái)說(shuō)它們都是有一個(gè)參考電平的。在接收端的輸入門(mén)里面，如果信號(hào)的電壓超過(guò)高電平參考電壓Vih，則該信號(hào)被識(shí)別為高邏輯；如果信號(hào)的電壓低于低電平的參考電壓Vil，則該信號(hào)就被識(shí)別為低邏輯。我們下面這個(gè)圖就是一個(gè)理想的信號(hào)。4/20/20236OlicaSI簡(jiǎn)介理想邏輯電壓波形4/20/20237OlicaSI簡(jiǎn)介接收端的實(shí)際波形4/20/20238OlicaSI簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)采樣及時(shí)序例子數(shù)據(jù)越是復(fù)雜，里面就包含很多的二進(jìn)制碼，這些二進(jìn)制碼將組成一連串的波形，而不是簡(jiǎn)單的一個(gè)方波。接收端的器件就需要采樣這些波形以便獲取相關(guān)的二進(jìn)制信息。數(shù)字采樣的過(guò)程通常是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者下降沿來(lái)觸發(fā)的，我們下面這個(gè)圖就是個(gè)簡(jiǎn)單的例子。4/20/20239OlicaSI簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)采樣及時(shí)序例子4/20/202310OlicaSI簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)采樣及時(shí)序例子從這個(gè)圖里面我們可以清楚地看到數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)時(shí)到達(dá)邏輯門(mén)而且在接收端期間開(kāi)始鎖存前必須確定它們的邏輯狀態(tài)。任何數(shù)據(jù)的延遲或者失真都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?。失敗有兩種可能：一個(gè)是因?yàn)榻邮斩烁揪蜔o(wú)法識(shí)別數(shù)據(jù)；另一個(gè)是接收端雖然識(shí)別了數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)因?yàn)槭д娑鴮?dǎo)致錯(cuò)誤。4/20/202311OlicaSI簡(jiǎn)介信號(hào)產(chǎn)生基本原理信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法信號(hào)時(shí)序測(cè)試方法示波器基礎(chǔ)知識(shí)常見(jiàn)的SI問(wèn)題SI分析信號(hào)完整性分析實(shí)例電子設(shè)計(jì)中的SI問(wèn)題建模與仿真信號(hào)完整性的仿真例子4/20/202312Olica信號(hào)波形聯(lián)想藍(lán)黑色中灰綠色Think紅4/20/202313Olica方波的組成聯(lián)想藍(lán)黑色中灰綠色Think紅4/20/202314Olica晶振原理石英振蕩器結(jié)構(gòu)4/20/202315Olica壓電效應(yīng)若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

4/20/202316Olica晶振符號(hào)和等效電路4/20/202317Olica諧振頻率從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最小（等于R）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。

根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫(huà)出它的電抗—頻率特性曲線如上圖所示?？梢?jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。

4/20/202318Olica石英晶體振蕩器的類(lèi)型特點(diǎn)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類(lèi)：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。

4/20/202319Olica普通晶體振蕩器普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。4/20/202320Olica電壓控制式晶體振蕩器電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。

4/20/202321Olica溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。

4/20/202322Olica恒溫控制式晶體振蕩器

恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類(lèi)型振蕩器中最高。

4/20/202323Olica晶體振蕩器的參數(shù)晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱(chēng)頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。

不同的晶振標(biāo)稱(chēng)頻率不同，標(biāo)稱(chēng)頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱(chēng)頻率有：48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000MHz以上，也有的沒(méi)有標(biāo)稱(chēng)頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。

4/20/202324Olica晶振的負(fù)載電容負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。

4/20/202325Olica頻率精度和頻率穩(wěn)定度頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。

4/20/202326Olica時(shí)鐘芯片的架構(gòu)聯(lián)想藍(lán)黑色中灰綠色Think紅4/20/202327OlicaPLL基本原理4/20/202328OlicaPLL頻率合成器PLL頻率合成器是由程序分頻器、鑒相器及壓控振蕩器三大部分組成,從晶振束的100KHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)100分頻后得1KHz的基準(zhǔn)頻率fR,壓控振蕩頻率f1通過(guò)程序分頻得到頻率fM,fM和fR同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行比較。只有當(dāng)fR和fM完全同頻同相時(shí),環(huán)路平衡被鎖定,即fR=fM。可見(jiàn),當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),壓控振蕩器的輸出頻率完全決定于程序分頻器的分頻比,即f1=M·fR,只要改變分頻比M,便可使f1改變,從而得到所需的各個(gè)頻率點(diǎn)。

4/20/202329Olica可編程頻率合成器特點(diǎn)：其頻率分辨率0.0291Hz,頻率準(zhǔn)確度可控制到4×10e9分之一,噪音電平-70dB以下,諧波失真衰減≥55dB,先進(jìn)的CMOS工藝不僅使其性能一流,而且功耗小,在3.3V供電時(shí),僅為155mW4/20/202330Olica可編程頻率合成器原理框圖4/20/202331Olica工作原理正弦查詢表是一個(gè)可編程存儲(chǔ)器(PROM),存有一個(gè)或多個(gè)完整周期的正弦波數(shù)據(jù),在時(shí)鐘fc的驅(qū)動(dòng)下,地址計(jì)數(shù)器逐步經(jīng)過(guò)PROM,地址中相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸入到N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入端，DAC輸出模擬信號(hào),經(jīng)低通濾波器(LPF),可得到一個(gè)頻譜純凈的正弦波。系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成,一般為24～32位,每束一個(gè)時(shí)鐘fc相位寄存器以步長(zhǎng)M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加,然后輸入到正弦查詢表地址上,正弦查詢表包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息,每個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0度～360度范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。

查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào),驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬量。

4/20/202332Olica

SI簡(jiǎn)介信號(hào)產(chǎn)生基本原理信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法信號(hào)時(shí)序測(cè)試方法示波器基礎(chǔ)知識(shí)常見(jiàn)的SI問(wèn)題SI分析信號(hào)完整性分析實(shí)例電子設(shè)計(jì)中的SI問(wèn)題建模與仿真信號(hào)完整性的仿真例子4/20/202333Olica衡量信號(hào)品質(zhì)的參數(shù)信號(hào)質(zhì)量的參數(shù):振幅參數(shù)，時(shí)間參數(shù)，眼圖參數(shù)等。

振幅參數(shù)包括：振幅，高電平，低電平，均方根值，單個(gè)周期的均方根值，最大值，最小值，峰峰值，平均值，單個(gè)周期平均值，正過(guò)沖，負(fù)過(guò)沖，正欠沖，負(fù)欠沖等；

時(shí)間參數(shù)包括：上升時(shí)間，下降時(shí)間，正占空比，負(fù)占空比，高電平寬度，低電平寬度，周期，頻率，延遲等；

眼圖參數(shù)包括：眼高，眼寬，眼圖最高點(diǎn)，眼圖最低點(diǎn)，交叉點(diǎn)等；4/20/202334Olica振幅的定義及測(cè)試方法振幅是指被測(cè)波形的振動(dòng)幅度，即高電平與低電平的差值，其單位為V或者mV；4/20/202335Olica高電平的定義及測(cè)試方法高電平是指信號(hào)邏輯“1”所在位置的幅度，其單位通常為V和mV。4/20/202336Olica低電平的定義及測(cè)試方法低電平是指信號(hào)邏輯“0”所在位置的幅度，其單位通常為V和mV。4/20/202337Olica均方根值的定義及測(cè)試方法均方根值是指整個(gè)捕獲波形上所有點(diǎn)幅度的均方根值，其單位為V或者mv；4/20/202338Olica周期均方根值的定義及測(cè)試方法周期均方根值是指整個(gè)捕獲波形上指定一個(gè)周期內(nèi)所有點(diǎn)幅度的均方根值，其單位為V或者mV；4/20/202339Olica最大值的定義及測(cè)試方法最大值是指所捕獲波形里面振幅最大點(diǎn)所處位置的電壓值，單位為V或者mV；4/20/202340Olica最小值的定義及測(cè)試方法最小值是指所捕獲波形里面振幅最小點(diǎn)所處位置的電壓值，單位為V或者mV；4/20/202341Olica峰峰值的定義及測(cè)試方法峰峰值是指最大值和最小值相減的絕對(duì)值，單位為V或mV；4/20/202342Olica平均值的定義及測(cè)試方法平均值是指所捕獲波形里面所有點(diǎn)幅度的平均值；4/20/202343Olica周期平均值的定義及測(cè)試方法周期平均值是指所捕獲波形里面所指定一個(gè)周期里所有點(diǎn)幅度的平均值；4/20/202344Olica正過(guò)沖的定義及測(cè)試方法正過(guò)沖是指高電平處的過(guò)沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202345Olica負(fù)過(guò)沖的定義及測(cè)試方法負(fù)過(guò)沖是指低電平處的過(guò)沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202346Olica正欠沖的定義及測(cè)試方法正欠沖是指高電平處的欠沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202347Olica負(fù)欠沖的定義及測(cè)試方法負(fù)欠沖是指低電平處的欠沖值，單位為V或mV或者用百分比表示；4/20/202348Olica時(shí)間參數(shù)的定義及測(cè)試方法時(shí)間參數(shù)包括：上升時(shí)間，下降時(shí)間，正占空比，負(fù)占空比，高電平寬度，低電平寬度，周期，頻率，延遲4/20/202349Olica上升時(shí)間的定義及測(cè)試方法上升時(shí)間是指信號(hào)從邏輯‘0’跳變到邏輯‘1’時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間；低頻信號(hào)的上升時(shí)間測(cè)量4/20/202350Olica上升時(shí)間的定義及測(cè)試方法上升時(shí)間是指信號(hào)從邏輯‘0’跳變到邏輯‘1’時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間；高頻信號(hào)的上升時(shí)間測(cè)量4/20/202351Olica下降時(shí)間的定義及測(cè)試方法下降時(shí)間是指信號(hào)從邏輯‘1’跳變到邏輯‘0’時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間；低頻信號(hào)的下降時(shí)間測(cè)量4/20/202352Olica下降時(shí)間的定義及測(cè)試方法下降時(shí)間是指信號(hào)從邏輯‘1’跳變到邏輯‘0’時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間；高頻信號(hào)的下降時(shí)間測(cè)量4/20/202353Olica正占空比的定義及測(cè)試方法正占空比是指信號(hào)的高電平保持時(shí)間占真?zhèn)€周期時(shí)間的比例；4/20/202354Olica負(fù)占空比的定義及測(cè)試方法負(fù)占空比是指信號(hào)的低電平保持時(shí)間占真?zhèn)€周期時(shí)間的比例；4/20/202355Olica高電平保持時(shí)間的定義及測(cè)試方法高電平保持時(shí)間是指信號(hào)從低到高跳變完成后信號(hào)持續(xù)的時(shí)間4/20/202356Olica低電平保持時(shí)間的定義及測(cè)試方法低電平保持時(shí)間是指信號(hào)從高到低跳變完成后信號(hào)持續(xù)的時(shí)間4/20/202357Olica周期的定義及測(cè)試方法周期是指有固定周期信號(hào)連續(xù)完成邏輯0和邏輯1跳變所需時(shí)間；4/20/202358Olica頻率的定義及測(cè)試方法頻率是指周期信號(hào)在一秒內(nèi)完成周期跳變的次數(shù)；4/20/202359Olica延遲的定義及測(cè)試方法延遲是指兩個(gè)相關(guān)信號(hào)之間的相位差；4/20/202360Olica眼圖參數(shù)的定義及測(cè)試方法時(shí)間參數(shù)包括：眼圖高電平值，眼圖低電平值，眼圖最大值，眼圖最小值，眼圖交叉點(diǎn)位置等。4/20/202361Olica眼圖高電平值的定義及測(cè)試方法眼圖高電平值是指眼圖高電平累積部分最低點(diǎn)的值；4/20/202362Olica眼圖低電平值的定義及測(cè)試方法眼圖低電平值是指眼圖低電平累積部分最高點(diǎn)的值；4/20/202363Olica眼圖最大值的定義及測(cè)試方法眼圖最大值是指眼圖高電平處最高電平所在位置的值；4/20/202364Olica眼圖最小值的定義及測(cè)試方法眼圖最小值是指眼圖低電平處最低電平所在電壓值；4/20/202365Olica眼圖交叉點(diǎn)的定義及測(cè)試方法眼圖交叉點(diǎn)是指眼圖中的差分信號(hào)的上升沿和下降沿的交叉點(diǎn)；4/20/2023