信号完整性基础知识 张士贤编写 中兴通讯上海第一研究

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第 1 章 高速数字系统设计的信号完整性分析导论..................................................................... 7
1.1.
基本概念........................................................................................................................... 7
1.2.
理想的数字信号波形
........................................................................................................ 7
理想的 TTL 数字信号波形
..................................................................................................... 7
1.2.2.
理想的 CMOS 数字信号波形
................................................................................... 7
1.2.3.
理想的 ECL 数字信号波形
....................................................................................... 8
1.3.
数字信号的畸变(或信号不完整)
...................................................................................... 8
1.3.1.
地线电阻的电压降的影响
——
地电平(0 电平)直流引起的低电平提高
.................. 8
1.3.2.
信号线电阻的电压降的影响
.................................................................................... 8
1.3.3.
电源线电阻的电压降的影响
.................................................................................. 10
1.3.4.
转换噪声
................................................................................................................ 11
串扰噪声
.............................................................................................................................. 11
1.3.6.
反射噪声
................................................................................................................ 12
1.3.7.
边沿畸变
................................................................................................................ 12
1.4.
研究的目的
..................................................................................................................... 13
1.4.1.
降低产品成本（略） ............................................................................................. 13
1.4.2.
缩短研发周期，降低开发成本（略）................................................................... 13
1.4.3.
提高产品性能（略） ............................................................................................. 13
1.4.4.
提高产品可靠性
..................................................................................................... 13
1.5.
研究领域
......................................................................................................................... 14
1.5.1.
各种电路工作原理（略）...................................................................................... 14
1.5.2.
各种电路噪声容限（略）...................................................................................... 14
1.5.3.
各种电路在系统中的噪声（略）........................................................................... 14
1.5.4.
系统各部件的频率特性（略） .............................................................................. 14
1.5.5.
信号传输（略）..................................................................................................... 14
1.5.6.
信号延迟（略）..................................................................................................... 14
1.5.7. PCB 结构设计（略）.............................................................................................. 14
1.5.8.
电源分配设计（略） ............................................................................................. 14
1.5.9.
地、电源滤波（略） ............................................................................................. 14
1.5.10.
热设计（略）....................................................................................................... 14
1.6.
研究手段
......................................................................................................................... 14
1.6.1.
物理实验验证（略） ............................................................................................. 14
1.6.2.
数学模型计算（略） ............................................................................................. 14
1.6.3.
软件模拟分析（略） ............................................................................................. 14
1.6.4.
经验规则估计
......................................................................................................... 14
第 2 章 数字电路工作原理......................................................................................................... 15
2.1.
数字电路分类
................................................................................................................. 15
2.1.1. GaAs(砷化钾)速度快,但功耗大,制作原料剧毒,未成熟使用；
............................... 15
2.1.2.
硅：使用极为广泛，处于不断发展中；
............................................................... 15
2.2.
基本结构和特点
............................................................................................................. 17
TTL....................................................................................................................................... 17
ZTE 中兴 4 信号完整性基础知识
2.2.2. CMOS 速度接近于 TTL，功耗小，单元尺寸小，适合于大规模集成
................... 17
2.2.3. LVDS：低电压数字系统
......................................................................................... 17
2.2.4. ECL（PECL）......................................................................................................... 18
2.3.
电路特性
......................................................................................................................... 19
2.3.1.
转换特性
................................................................................................................ 19
2.3.2. V/I 特性:电压与电流之间的关系特性曲线
............................................................. 20
2.3.3.
热特性及寿命
......................................................................................................... 23
2.3.4.
直流噪声容限 NMDC
................................................................................................ 24
2.3.5.
交流噪声容限 NMAC ............................................................................................. 24
2.4.
电路互连......................................................................................................................... 25
2.4.1. 工作电压：器件工作时，施加于器件电源脚上的电压
........................................ 25
2.4.2.
逻辑电平范围
......................................................................................................... 25
2.4.3.
噪声（N）.............................................................................................................. 25
2.5.
电路选型基本原则
......................................................................................................... 27
2.5.1.
采用标准器件
......................................................................................................... 27
2.5.2.
够用原则，不追求高性能
...................................................................................... 27
2.5.3.
尽可以减少品种和类型。...................................................................................... 27
第 3 章 传输线理论..................................................................................................................... 28
3.1.
基本概念......................................................................................................................... 28
3.2.
传输线基本特性: ............................................................................................................ 29
3.2.1.
传输线特性阻抗
..................................................................................................... 30
3.2.2.
传输线的时间延迟 ................................................................................................. 32
3.3.
传输线的分类
................................................................................................................. 33
3.3.1.
非平衡式传输线
..................................................................................................... 33
3.3.2.
平衡式传输线
......................................................................................................... 33
3.4.
常用传输线
..................................................................................................................... 35
3.4.1.
圆导线
.................................................................................................................... 35
3.4.2.
微带线
.................................................................................................................... 36
3.4.3.
带状线
.................................................................................................................... 36
3.5.
反射和匹配
..................................................................................................................... 37
3.5.1.
反射系数
................................................................................................................ 37
3.5.2.
反射的计算：......................................................................................................... 38
3.5.3.
传输线的临界长度
................................................................................................. 41
3.5.4.
终端的匹配和端接
................................................................................................. 41
3.6.
串扰：串扰模型图如下
.................................................................................................. 43
3.7.
负载效应
......................................................................................................................... 44
3.7.1.
直流负载和交流负载
............................................................................................. 44
3.7.2.
最小间隔
................................................................................................................ 44
3.7.3.
集中负载
................................................................................................................ 45
3.7.4.
分布负载
................................................................................................................ 45
径向负载
.............................................................................................................................. 45
3.8.
负载驱动方式
................................................................................................................. 45
3.8.1.
点对点
.................................................................................................................... 45
串推
..................................................................................................................................... 45
5 ZTE 中兴信号完整性基础知识
3.8.3.
星型
........................................................................................................................ 46
扇型
..................................................................................................................................... 46
3.9.
传输线损耗和信号质量.................................................................................................. 46
3.9.1.
集肤效应
................................................................................................................ 46
3.9.2.
邻近效应
................................................................................................................ 46
3.9.3.
辐射损耗
................................................................................................................ 47
3.9.4.
介质损耗
................................................................................................................ 47
第 4 章 直流电源分布系统设计.................................................................................................. 48
4.1.
基本概念......................................................................................................................... 48
4.1.1.
电源分布系统
......................................................................................................... 48
4.1.2.
平面
........................................................................................................................ 48
4.1.3.
平面（Plane）为电流回路提供最低阻抗回路
...................................................... 48
4.2.
设计目标
......................................................................................................................... 48
4.2.1.
为数字信号提供稳定的电压参考；
....................................................................... 48
4.2.2.
为逻辑电路提供低阻抗的接地连接；
................................................................... 48
4.2.3.
为逻辑电路提供低阻抗的电源连接；
................................................................... 48
4.2.4.
为电源和地提供低交流阻抗的通路；
................................................................... 48
4.2.5.
为数字逻辑电路工作提供电源
.............................................................................. 49
4.3.
一
般设计规则
................................................................................................................. 50
4.4.
多层板的叠层结构
......................................................................................................... 50
4.4.1.
叠层结构的设计主要考虑以下因素
....................................................................... 50
4.4.2.
在高速数字设计中的
一
般规则是
........................................................................... 51
4.5.
电流回路
......................................................................................................................... 52
4.5.1.
基本概念
................................................................................................................ 52
4.5.2.
环路面积
................................................................................................................ 52
4.5.3.
参考平面的开槽
..................................................................................................... 53
4.5.4.
连接器的隔离盘..................................................................................................... 53
4.6.
去耦电容极其应用
......................................................................................................... 54
4.6.1.
去耦电容
................................................................................................................ 54
4.6.2.
低频大容量去耦电容（BULK）............................................................................ 55
4.6.3.
高频去耦电容
......................................................................................................... 56
4.6.4.
多层片式陶瓷电容的材料选择
.............................................................................. 58
4.6.5.
表面贴装电容的布局和布线
.................................................................................. 58
4.6.6.
多层印制板中的平面电容
...................................................................................... 59
4.6.7.
埋入式电容
............................................................................................................. 59
4.7.
噪声抑制
......................................................................................................................... 61
4.7.1.
系统电源变化
......................................................................................................... 61
4.7.2.
系统电源的电位差 ................................................................................................. 61
4.7.3.
系统逻辑地的电位差 ............................................................................................. 61
4.7.4.
地电平抖动
............................................................................................................. 61

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