信号完整性基础知识来至中兴通讯硬件的一部巨作

软件下载 7月 09, 2023 0 king

信号完整性基础知识

张士贤编写

近年来,通讯技术、计算机技术的发展越来越快,高速数字电路在设计中的运用越来越多,数字接入设备的交换能力已从百兆、千兆发展到几十千兆。高速数字电路设计对信号完整性技术的需求越来越迫切。

在中、大规模电子系统的设计中,系统地综合运用信号完整性技术可以带来很多好处, 如缩短研发周期、降低产品成本、降低研发成本、提高产品性能、提高产品可靠性。

数字电路在具有逻辑电路功能的同时,也具有丰富的模拟特性,电路设计工程师需要通过精确测定、或估算各种噪声的幅度及其时域变化,将电路抗干扰能力精确分配给各种噪声,经过精心设计和权衡,控制总噪声不超过电路的抗干扰能力,保证产品性能的可靠实现。

为了满足中兴上研一所的科研需要,知识兔在去年和今年关于信号完整性技术合作的基础上,克服时间紧、任务重的困难,编写了这份硬件设计培训系列教材的“信号完整性”部分。由于知识兔的经验和知识所限,这部分教材肯定有不完善之处,欢迎广大读者和专家批评指正。

本教材的对象是所内硬件设计工程师,针对我所的实际情况,选编了第一章——导论、第二章——数字电路工作原理、第三章——传输线理论、第四章——直流供电系统设计, 相信会给大家带来益处。同时,也希望通过知识兔的不懈努力能消除大家在信号完整性方面的烦脑。

信号完整性基础知识目录

第1章高速数字系统设计的信号完整性分析导论
1.1. 基本概念
1.2. 理想的数字信号波形
1.2.3. 理想的 ECL 数字信号波形
1.3. 数字信号的畸变(或信号不完整)
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
1.3.2. 信号线电阻的电压降的影响
1.3.3. 电源线电阻的电压降的影响
1.3.4. 转换噪声
串扰噪声
1.3.6. 反射噪声
1.3.7. 边沿畸变
1.4. 研究的目的
1.4.1. 降低产品成本(略)
1.4.2. 缩短研发周期,降低开发成本(略)
1.4.3. 提高产品性能(略)
1.4.4. 提高产品可靠性
1.5. 研究领域
1.5.1. 各种电路工作原理(略)
1.5.2. 各种电路噪声容限(略)
1.5.3. 各种电路在系统中的噪声(略)
1.5.4. 系统各部件的频率特性(略)
1.5.5. 信号传输(略)
1.5.6. 信号延迟(略)
1.5.7. PCB 结构设计(略)
1.5.8. 电源分配设计(略)
1.5.9. 地、电源滤波(略)
1.5.10. 热设计(略)
1.6. 研究手段
1.6.1. 物理实验验证(略)
1.6.2. 数学模型计算(略)
1.6.3. 软件模拟分析(略)
1.6.4. 经验规则估计
第2章数字电路工作原理
2.1. 数字电路分类
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;
2.1.2. 硅:使用极为广泛,处于不断发展中;
2.2. 基本结构和特点
TTL
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
2.2.3. LVDS:低电压数字系统
2.2.4. ECL(PECL)
2.3. 电路特性
2.3.1. 转换特性
2.3.2. V/I 特性:电压与电流之间的关系特性曲线
2.3.3. 热特性及寿命
2.3.4. 直流噪声容限NMDC
2.3.5. 交流噪声容限 NMAC
2.4. 电路互连
2.4.1. 工作电压:器件工作时,施加于器件电源脚上的电压
2.4.2. 逻辑电平范围
2.4.3. 噪声(N)
2.5. 电路选型基本原则
2.5.1. 采用标准器件
2.5.2. 够用原则,不追求高性能
2.5.3. 尽可以减少品种和类型。
第 3 章传输线理论
3.1. 基本概念
3.2. 传输线基本特性:
3.2.1. 传输线特性阻抗
3.2.2. 传输线的时间延迟
3.3. 传输线的分类
3.3.1. 非平衡式传输线
3.3.2. 平衡式传输线
3.4. 常用传输线
3.4.1. 圆导线
3.4.2. 微带线
3.4.3. 带状线
3.5. 反射和匹配
3.5.1. 反射系数
3.5.2. 反射的计算
3.5.3. 传输线的临界长度
3.5.4. 终端的匹配和端接
3.6. 串扰:串扰模型图如下
3.7. 负载效应
3.7.1. 直流负载和交流负载
3.7.2. 最小间隔
3.7.3. 集中负载
3.7.4. 分布负载
径向负载.
3.8. 负载驱动方式
3.8.1. 点对点
串推
3.8.3. 星型
扇型
3.9. 传输线损耗和信号质量
3.9.1. 集肤效应
3.9.2. 邻近效应
3.9.3. 辐射损耗
3.9.4. 介质损耗
第 4 章直流电源分布系统设计
4.1. 基本概念
4.1.1. 电源分布系统
4.1.2. 平面
4.1.3. 平面(Plane)为电流回路分享最低阻抗回路
4.2. 设计目标
4.2.1. 为数字信号分享稳定的电压参考;
4.2.2. 为逻辑电路分享低阻抗的接地连接;
4.2.3. 为逻辑电路分享低阻抗的电源连接;
4.2.4. 为电源和地分享低交流阻抗的通路;
4.2.5. 为数字逻辑电路工作分享电源
4.3. 一般设计规则
4.4. 多层板的叠层结构
4.4.1. 叠层结构的设计主要考虑以下因素
4.4.2. 在高速数字设计中的一般规则是
4.5. 电流回路
4.5.1. 基本概念
4.5.2. 环路面积
4.5.3. 参考平面的开槽
4.5.4. 连接器的隔离盘
4.6. 去耦电容极其应用
4.6.1. 去耦电容
4.6.2. 低频大容量去耦电容(BULK)
4.6.3. 高频去耦电容
4.6.4. 多层片式陶瓷电容的材料选择
4.6.5. 表面贴装电容的布局和布线
4.6.6. 多层印制板中的平面电容
4.6.7. 埋入式电容
4.7. 噪声抑制
4.7.1. 系统电源变化
4.7.2. 系统电源的电位差
4.7.3. 系统逻辑地的电位差
4.7.4. 地电平抖动