基于Altium Designer的信号完整性分析.pdf

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1、瞎木探{香·经验交漉基于AltiumDesigner的信号完整性分析崔玉美(上海城市管理学院，上海200438)[摘要]在当今的电子设计过程中，信号完整性问题的研究和处理已经成为不容忽视的重要环节。在电路的设计初期要利用电路设计软件仿真，充分考虑可能出现的问题，及时发现及时解决，节约成本，缩短产品开发周期。文中给出了在A1ti—umDesirer中的仿真波形，从仿真结果可以清楚地看到采取不同的解决办法，信号完整性问题改善的效果不同，因此要根据电路设计的实际需求采用合适的最佳解决方案。[关键词]AltiumDesigner；反射；串扰；信号完整性中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：

2、1008．6609(2016)09．0092．041引言随着新工艺、新技术的快速发展，高速器件在电路设计中应用越来越广泛。在这种高速电路系统中，数据的传输速率、时钟的工作频率都越来越高，电路功能越来越复杂，电路板密度也相当大。这时，电路的设计重点就不仅仅是元器件的合理放置和导线的正确连接，更重要的是要对电路中的信号做完整性分析，否则，即使电路工作原理正确，系统也不一定能可靠正常地工作。因此电路设计中能否处正确处理好系统的信号互连，妥善解决好信号完整性问题，成为了～个设计能否成功的关键因素”，。2信号完整性问题信号完整性(SI，SisalInte鲥锣)就是指信号通过信号线传输后仍能保持完整，

3、保持其正确的功能而未受到损伤的一种特性”’。主要研究的是信号传输后的质量和时序问题，当电路中的信号能以符合要求的时序和大小进行传送，并能按要求顺利的到达输出端，就说明电路具有较好的信号完整性，否则就出现了信号完整性问题。信号完整性问题主要包括反射、振荡、地弹、串扰、电源噪声、EMI等等。2．1反射现象反射是信号在传输线上的回波。-，信号功率的一部分经过传输线送达负载，另一部分则向信号源端反射回来。当反射信号到达信号源端时，若信号源端阻抗与传输线阻抗不匹配就将会产生第二次反射。若传输线的源端和负载端都存在阻抗不连续，那么信号将会在驱动线和接收线之间来回进行反射。实际上传输线任意一点上的信号都

4、是由入射信号和反射信号多次叠加而成的。当信号在传输过程中遇到比当前阻抗值高的时候，发生正方向反射，使信号边沿的幅度递增，出现过冲；当信号在传输过程中遇到比当前阻抗值低的时候，发生负方向反射，使信号边沿的幅度衰减，出现欠冲。这些波动的假时钟信号过大，超过一定的范围时，就可能会导致系统的误操作，产生故障，甚至造成事故。如果信号在一个时钟周期中，反复地出现过冲和欠冲，称之为振荡或振铃。这就是电路中因为反射而产生的多余能量无法被及时吸收的结果。如果没有采取合适的抑制措施，就会引发传输信号波形的失真．如图1．图1反射失真波形2．2串扰在高速数字电路设计中，串扰现象及其常见。信号串扰是在电气上没有连接

5、的信号线之间，因电磁耦合对相邻的传输线产生不期望的电压干扰噪声”I。由于信号线本身逻辑电作者简介：崔玉美，女，黑龙江人，硕士研究生，副教授，研究方向：电子技术的教学与科研。．92．学术探讨·勇§验芟流平发生变化，对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线”。受到影响而导致自身逻辑电平发生不正常的信号连线称为“牺牲线”。串扰噪声从攻击对象上以耦合电压或耦合电流的形式，交叉耦合到牺牲对象上，表现为在其中一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的耦合电压或电流信号。串扰一般可以分为前向串扰和后向串扰。前向串扰是指攻击源对牺牲对象的接收端产生的第一次干扰，也称远端干扰，同

6、样是由于电容和电感的耦合形成的，但是这两个耦合形成的干扰信号是反相的，是可以相互抵消的，因此前向串扰几乎可以忽略。而后向串扰指攻击源对牺牲对象的发送端产生的第一次干扰，也称为近端干扰，两个分量是同相的，不容忽视，因此一般研究都是后向串扰。设定网络A12为攻击对象，A13为牺牲对象，在没有采取任何抑制措施时的干扰线与被干扰线上的信号波形如图2。可以看出在牺牲信号线A13上存在着很大串扰噪声，最大串扰噪声幅度可达30mv左右。图2信号间的干扰噪声2．3电源、地弹噪声电路中各种芯片和电源平面之间存在着一定大小的寄生参数，每当电路中有较大的电流涌动时，如芯片多个输出级同时动作，就将会有较大的瞬态电

7、流在芯片引脚与PCB板的电源平面中流过，从而导致电源线上和地线上的电压波动，这个不期望的波动噪声可能会造成其他元器件的不正常动作。地平面的分割，也可能引起数字信号传到模拟接地区域时，产生接地平面信号回流反弹。同样，电源平面的分割也可能有类似情况的危害产生。负载容性的增大、阻性的减小、寄生参数的增大、切换速度的加快，以及同步切换数目的增加，都有可能导致接地反弹噪声的增加。3改善信号完整性问题的方法由于上述这些信号完整性问题