信号完整性揭秘:于博士SI设计手记----阅读笔记

2023-11-18

1 概述

1、尽管信号是数字的,但是承载这些信息的电压或电流波形是模拟的。
2、SI的根本问题,是信号的上升时间减小了,上升时间越小,信号中包含的高频成分越多,导致的互相耦合得到的畸变也越严重。
3、SI设计的误区:

  • 跟着流程就可以做好SI设计
  • 没有针对性,不分轻重:
  • 盲从于设计原则
  • 不重视量化评估
  • 片面追求个别问题,忽略其他问题

4、SI的设计与仿真,仿真的目的要清楚,理论基础也就要扎实,仿真效果也就好。

5、SI设计的特点

  • 个性化
  • 系统工程
  • 平衡的艺术

6、掌握好基础

2 数字信号的频谱与带宽

1、周期信号、单边谱、双边谱的关系

  • 单边谱和双边谱的直流分量的幅度相等。
  • 单边谱中某一个频率分量的幅度是双边谱频率分量的两倍
  • 单边谱中某一频率分量的相位与双边谱的相位是相同的

2、理想方波的频率样子

对应表达式:
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3、理想方波的特征

  • 周期信号,幅度谱是在一系列离散点的取值。
  • 根据公式,离散频率谱公式如下:
  • 在这里插入图片描述

得到的包络线的形状如下:
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为了清晰表示变化趋势,采用对数坐标:

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(1) 当pift<<1,
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(2) pift>>1 的时候
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根据上面的结果,实际上,我哦们很难看出来有什么不一样。
当我们将频率轴也引出对数。
并考虑10倍频程的概念的时候。
如下:
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可以看出,每增加一格, 则其幅度下降了-20dB。

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4、信号带宽与上升的时间的关系

  • 信号的带宽越大,上升时间越小。
  • 梯形波的频谱衰减,比理想方波更快。

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一个基本常识:
周期信号的频谱是离散谱,同波形的非周期信号是连续谱

5、梯形波的频谱特征

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6 0.35/Tr 什么意思

Tr:表示上升时间
0.35/Tr:表示的是,单极形低通滤波器的3dB带宽。此带宽的定义中,Tr表示的是10%~90%的信号上升时间。
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7、0.5/Tr 什么意思

等效噪声带宽,或称为,均方差带宽,frms。 对于单极性低通滤波网络,0.5/Tr与等效噪声带宽很接近。

8、 补充说明
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实际上,我们研究的目的就是为了研究信号的正常的传输。
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3 传输线

1、什么是传输线
传输路径和参考路径(返回路径)
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2、信号传输的方式

信号向前传输的速度,取决于电场和磁场建立的速度,这跟周围的介质特性有关。

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3 、 传输线的返回电流
假设传输线无限长,那么如果我们将末端开路,那么返回路径是否会监测导返回电路? 如下图:
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实际上也会是有电流的。

当信号电压加在了传输路径的入口,信号路径和参考路径产生电压差,随着电荷积聚,产生电流,随着信号传播,不断重复此过程,从而产生电流。

从而,传输线的返回路径是否为地也是不重要的。

4、传输线的分布电容

电容的形成:

C = Q / V C=Q/V C=Q/V

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对于PCB上的走线,空间结构较长,走线导体中的每一个部分与周围导体之间都存在着电容,也就是传输线的电容式分布式的。

5、单位长度电容

  • PCB上传输线通常式走线和平面,传输线很长的时候,会有一个浪头, 需一种方法来解决信号传输过程中“瞬态”的问题
  • 单位电容:单位长度下电容的大小。
    如果单位长度的电容的大小为:
    C p u l C_{pul} Cpul
    那么一定长度的电容的电容就可以计算:

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如下图为实际的传输线模型。

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  • 几个基本常识:对于FR4板材,6mil线宽,阻抗为50ohms

  • 在这里插入图片描述

      注意使用单位长度电容的的前提是:电场沿传输线方向没有分量,电磁场的传输可近似为均匀平面波
    

6、 介电常数和等效介电常数

  • 介电常数是物质本身的固有特性,与介质的成分有关。
  • 加工pcb常用的板材一般是玻璃纤维编制结构和树脂的混合压制。
  • 加工板材分成PP 和 Core两种, Core板材的节点常数相对稳定,而PP则与加工过程有管(温度影响)
  • 求解等效介电常数的大小,可以使用场求解器。

7、传输线的分布电感

接下来描述几个常见物理量:

  • 磁感应强度:磁通密度

  • 磁通量:描述穿过这个区域的磁场有多少。

  • 感应电动势与磁通变化率的关系:
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  • 电感与磁通量之间的关系,电感与电路结构
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  • 自感:变化电流产生的磁通量的变化

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  • 互感:

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8、回路电感
回路电感= 信号路径自感+ 返回路径自感 - 2 互感
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由上,两路径之间的距离越大,回路的电感也就越大。

有些工程师喜欢从回路面积角度分析,但有时候很难只管发现电流回路的准确位置。 从互感角度触发相对容易。

回路电感反应了综合信号路径你和返回路径,信号感受到的总的电感的情况。

9、单位长度电感

传输线的电感等效模型:

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  • FR4 板材的6mil的走线, 表层走线的单位长度每英寸电感为7.5nH, 内层走线每英寸约为9nH

10、波传播的LC参数表示:

将波的传播按照LC的模型进行建立:

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其最终证明了波形可分成前向传播和反向传播
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11、瞬态阻抗,特性阻抗

特征阻抗公式:
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12 、特征阻抗的影响因素:走线现款、介质厚度、介电常数、走线铜箔厚度等

  • 线宽:

对电感的影响
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对电容的影响:

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  • 介质厚度

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  • 介电常数
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  • 铜箔厚度的影响L
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这一小节的更加精确的描述,如下:

  • 线宽的影响:

    • 宽度上升,电流分散,电感下降, 电容上升(根据电容基本公式:
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    • 宽度下降,电流集中,电感上升, 电容下降

  • 介质厚度影响

    • 当两导体之间的距离增大,Lm减小,从而,单位长度电感增加。 而单位长度电容下降,从而Z上升。
      在这里插入图片描述
  • 介电常数影响

    • 介电常数不影响电感
    • 根据电容公式,介电常数上升,C上升。从而Z下降
  • 铜箔厚度影响

    • 当铜箔厚度上升,电感减小,电容增大,阻抗减小

13 、 参考平面有两个作用,1:阻抗控制 2: 提供电流回路

14、 返回电流分布
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关于带状线的电流的配比与接近程度之间的关系

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电流在两侧相邻导线的返回的电流大小和参考平面返回电流大小的关系: 相邻导体上的电流的大小返回是很小的。

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15 传输线延迟

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16、理想总参数的集总模型

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通常我们看自己建立的模型是否合适,可以选择关注两个参数
特征阻抗和延时。

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17 耦合传输模态分析

多条传输线之间会有相互的干扰存在。

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18 线间距对阻抗的影响:
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20、有损传输线

传输线损耗的来源主要有如下:

  • 阻性损耗
  • 介质损耗
  • 耦合到临近线
  • 阻抗不连续
  • 对外辐射

当GHz的查差分互联的情况下,主要考虑如下两个:

  • 阻性苏豪
  • 介质损耗

21 趋肤效应:
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22 邻近效应

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23 表面粗糙程度
当链路较长的时候,且信号表面粗糙程度较大的情况下,则需要注意表面粗糙程度,
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25 介质损耗:
由于交流信号电磁场的建立导致机型分子的极化造成的 介质损耗。

当Gbps的以上的速率的信号互联的时候,如果衰减称为主要因素,此时选择,低介质损耗的板材就很重要。

26 复介电常数
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27 有损传输线的特性阻抗与延时

RLGC模型:

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