信号完整性学习笔记

期待解决的问题：1.为何AC耦合电容放在TX端；2.为何有的电源或地平面要挖掉一块；3.搞清楚反射；4.搞清楚串扰；5.搞清楚地弹；6.搞清楚眼图；7.搞清楚开关噪声；8.各种地过孔的作用；9.写一份学习总结。自己总结：从微观的角度讲，信号完整性研究的是电子在电场和磁场的作用下是如何运动的，以及这种运动会造成哪些电气特性产生什么变化。从宏观的角度讲，信号完整性研究的是如何保证信号从源端传送到终端的过程中，失真的程度在要求的范围内。第1章四类基本信号完整性问题：1、单一网络的信号质量：在信号路径和返回路径上由阻抗突变而引起的反射和失真。2、两个或多个网络间的串扰：理想回路和非理想回路耦合的互电容和互电感。3、电源分配系统中的轨道塌陷：电源和地网络中的阻抗压降。4、来自元件或系统的电磁干扰。阻抗：1、任何阻抗突变，都会引起电压信号的反射和失真。2、信号的串扰，是由相邻线条及其返回路径之间的电场和磁场的耦合引起的，信号线间的互耦合电容和互耦合电感的阻抗决定了耦合电流的值。3、电源供电轨道的塌陷，与电源分布系统（PDS）的阻抗有关。4、最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此电流由地平面上的电压引起。在电缆周围使用铁氧体扼流圈，增加共模电流所受到的阻抗，从而减小共模电流。第2章时域与频域频谱：在频域中，对波形的描述变为不同正弦波频率值的集合。每个频率值都有相关的幅度和相位。把所有这些频率值及其幅度值的集合称为波形的频谱。（在频域中，描述波形的方法）频域中的频谱表示的是时域波形包含的所有正弦波频率的幅度。计算时域波形频谱的唯一方法是傅立叶变换。即使每个波形的时钟频率相同，然而他们的上升时间可能不同，因此带宽也不同。每个严肃认真的工程师都应该至少用手工计算一次傅立叶积分来观察它的细节。带宽：表示频谱中有效的最高正弦波频率分量。把频谱中更高频率的分量都去掉，也能充分近似时域波形的特征。信号的带宽就是幅度比理想方波幅度小3dB（50%）的那个最高频率。上升时间与时钟周期什么关系？原则上讲，两者之间的唯一约束是：上升时间一定小于周期的50%。第5章互连线建模4个基本理想电路元件：（集总元件）电阻、电容、电感、（分布元件）理想传输线。电容的微妙之处在于，即使两个导体没有直接相连，它们之间也总有电容存在。在某些情况下电流可流经电容，这就引起了串扰和其它信号完整性问题。电容是电流的潜在通路。理想电容器的两个导体被绝缘介质隔开，通常认为实际电容器中没有任何电流通过。但是，当两个导体间的电压变化时，就会有电流通过。I=Q/t=CV/t由此公式可知，当V/t不变时，电容量越大，流过电容的电流越大。在时域里，电容量越大，电容器的阻抗越小。如何理解绝缘的两个导体间有电流流动？位移电流。绝缘，并非隔断。联想到复合型晶体管。导体距离附近某个表面越近，它的电容量就越大。当趋于无限近的时候（几乎接触），此时的容量表现是怎样？如解理解？为了减小电源分布系统中的电压轨道塌陷，就要在电源和地之间加上多个去耦电容。解释？多层板中的平面电容，容值很小，对改善轨道塌陷问题作用不大。电源与地平面的实际作用是为芯片和去耦电容间提供低电感路径，而不是提供去耦电容。如何理解信号路径、返回路径？如何理解反射？什么是二维场求解器？什么是微带线，带状线？第6章电感在信号沿均匀传输线传播的过程中产生突变，从而造成信号完整性问题。认识电感，途径是基于3个基本定律：1、电流周围形成闭合磁力线圈。2、电感是导体上流过单位安培电流时，导体周围磁力线圈的韦伯值。3、当半导体周围磁力线圈匝数变化时，导体两端将产生互感电压。电感是关于电流周围磁力线匝数的度量，而不是某一点磁场强度的绝对值。关心的不是磁场强度，而是磁力线匝数。L=N/I,单位电流（1A）周围磁力线圈的匝数的韦伯值。影响电感的唯一因素是，导体的几何结构和在铁磁金属情况时导体的导磁率。为了分清磁力线圈的源头，引入了自感和互感两个术语。为了知道磁力线圈所围绕的电流回路大小，引入了回路电感和局部电感两个术语。如果讨论环绕在一段互连线周围的磁力线圈，而电流在整个回路中流动，就使用总电感、静电感或有效电感来描述。仅仅采用电感这一术语时，含义是十分模糊的。所以，要养成使用限定词的良好习惯，明确指出电感的准确类型。造成概念困惑最常见的根源就是混淆了电感的不同类型。不管什么原因，只要一段导线周围的磁力线总匝数发生变化，导线两端就会产生电压。(V=N/t=LI/t)感应电压正是电感在信号完整性中意义重大的根本原因。如果电流变化时没有产生感应电压，则信号就不会受到影响。这个由电流变化产生的感应电压引起传输线效应、突变、串扰、开关噪声、轨道塌陷、地弹、和大多数电磁干扰源。串扰的定义：通常另一根导线中的电流发生变化时，我们用串扰来描述在临近导线上产生的感应电压噪声。Vnoise=MI/t（M为两根导线之间的互感）。局部电感：分析时只考虑电流回路的一部分，而且假设剩余部分不存在电流，这时计算的电感称作局部电感。局部电感是个数学构造，它是不可测量的，因为实际中不存在孤立的电流。导体长度增加时，局部自感会增大，且增速比线性增长要快。这是因为，当导线长度增加时，环绕在新增加的导线周围的磁力线，除了源自这段电流外，还有源自其它段电流的一些磁力线圈。电流分布越分散，局部电感越小；反之，电流分布密度越大，局部电感越大。因为电流散开后，导致磁力线圈的匝数变少了。（N=L*I）表现为，增大导体横截面积时，局部电感将减小。经验：导线的局部自感大约是25nH/in,或1nH/mm.经验：两个导线段的间距大于其长度时，两段导线间的局部互感小于任一段导线局部自感的10%，这时的互感通常可以忽略不计。例如，两个长20mil的过孔，当它们的中心距大于20mil时，两过孔间几乎就没有耦合了。有效电感/总电感/净电感：指回路中的电流为单位安培时，环绕在该段周围的磁力线总匝数，其中包括整个回路中任何一段电流产生的磁力线（自磁力线，互磁力线）。Ntotal=Nb–Nab(Lb–Lab)/I。两相邻电流，其中一条是另一条的返回路径时，其电流方向相反。有效电感决定了回路电流变化时，直流两端的感应电压的大小（Vgb=Ltotal*I/t=(Lb–Lab)*I/t）。对所有互连线而言，包括信号路径、返回路径、电源路径和地返回路径。（如何区分？）地弹：返回路径上的电压降。地弹是返回路径中两点间的电压，它是由于回路中电流变化引起的。地弹是产生开关噪声和EMI的主要原因，主要与返回路径的总电感有关。（如何判断出噪声是否为地弹？）减小地弹电压噪声可以采用两种办法：1.使用短且宽的互连线以减小返回路径的局部自感。2.将电流及其返回路径尽量靠近以增大两支路的互感。经验：尽可能让返回电流靠近其他电流，减小有效电感，减小地弹。键合线：连接裸芯片焊盘和封装焊盘之间的引线，常有键合金线、键合银线等。双键合线为何能减小有效电感？电流分散，可以减小自感。Lloop=La+Lb–2*Lab两支路靠得越近，回路电感越小。距离减小，局部自感保持不变，局部互感增大，各支路总电感减小。经验：将食指和拇指围成一个圈，用30号导线构成同等大小的回路，其回路电感大约为85nH任何阻抗可控互连线的单位长度回路电感都是恒定的。电源的去耦电容是可以计算的。高频时，减小去耦电容阻抗的唯一方法是减小它的回路自感（也即是减小芯片焊盘和去耦电容之间这个完整路径的回路电感）。因为ESL的存在导致在高频时，回路阻抗随频率升高而增大。减小去耦电容的回路自感的最好方法有以下几种：？？？？？？？？1.使电源平面和地平面靠近表层以缩短过孔。？？？？？？？？？2.使用尺寸较小的电容器。（是信号路径和返回路径靠近）3.从电容器焊盘到过孔间的连线要短。（说法不准确，应该是两焊盘上的过孔之间距离要短，减小局部电感。4.将多个电容器并联使用。（指的是回路电感并联）对电流的约束越大，局部自感和回路电感就越大。经验：接触孔直径为10mil时，平面间的回路电感大约是没有过孔时两相邻平面的单位面积回路电感的4倍。电流离芯片越近，被限制在芯片附近的高频功率和返回电流就越多，从而返回平面的地弹电压就越低。？？？？？？？？？什么是过孔出沙孔？两条距离较近的回路，当其中一条回路中的电流发生变化时，环绕在第二条回路周围的磁力线匝数就会改变，而且还会产生噪声（引起信号质量问题）。只有当动态回路中的电流发生变化时，在静态回路中才会产生噪声。而且这种情况仅在开关跳变时才发生。因此常被称作，开关噪声，同时开关噪声（SSN）。开关噪声和串扰什么区别？电感的各种分类：1.电感：流过单位安培电流时，环绕在导体周围的磁力线匝数。2.自感：导体中流过单位安培电流时，环绕在该导体周围的磁力线匝数。3.互感：某一导体流过单位安培电流时，产生的将另一导体环绕在内的那部分磁力线的匝数。4.回路电感：流过单位安培电流时，环绕在整个电流回路周围的磁力线总匝数。5.回路自感：完整电流回路流过单位安培电流时，环绕在该回路周围的磁力线总匝数。6.回路互感：某一完整电流回路流过单位安培电流时，环绕在另一回路周围的磁力线总匝数。7.局部电感：其他地方没有电流存在时，环绕在该段导线周围的磁力线匝数。8.局部自感：仅在某一段导线中有单位安培电流而其他地方无电流存在时，环绕在该段导线周围的磁力线匝数。9.局部互感：仅在某一段导线中有单位安培电流而其他地方无电流存在时，环绕在另一段导线周围的磁力线匝数。10.有效电感、净电感或总电感：当整个回路流过单位安培电流时，环绕在一段导线周围的磁力线总匝数，其中包括源自回路每一部分电流的磁力线。11.等效电感：多个电感串联或并联相对应的单个自感的大小，其中包括互感的影响。导线中流过单位安培电流时，越靠近导线的中心，其周围的磁力线就越多，自感也就越大。（把一根导线想象成一束细导线的集合，越靠近线束中心的细导线其周围环绕的磁力线越多，总电感越大。）开关频率越高中心的阻抗越大，因此电流越靠近外围。经验：当电路板上的铜线为1盎司或者几何厚度为34um时，若频率等于或大于10MHz，则导线中的电流不再占用布线的整个横截面，趋肤效应在电流分布中起主导作用。高频的定义：随着电流变化频率升高，电流会不断想导线表面靠近。如果电流靠近导线表面而且与导线几何厚度无关，这一频率就是趋肤效应的界限，“高频”就是指高于这一界限的频率。涡流：两相邻导体，如果其中一个导体中的电流发生变化，那么另一个导体的两端就会产生电压，此感应电压会形成电流。换言之，其中一个导体的电流变化时，第二个导体中会产生感应电流，此电流称作涡流。镜像电流：一段导线靠近一个导电平面。当导线中有电流时，一些磁力线就会穿过导电平面，导线与平面之间就会有互感存在。当导线中的电流变化时，穿过平面的磁力线也会发生变化，并在平面上产生感应电压，感应电压又激起了涡流，这些涡流又会产生自己的磁力线。通过求解麦克斯韦方程，可以发现涡流产生的磁力线的结构就像是平面下方的另一电流产生的一样（即它与平面的距离和真实电流与平面的距离相等）。这个虚构的电流称作镜像电流。经验：只要电流回路与平面的距离小于导线间的总跨度，感应的涡流就会起到减小回路电感的作用。第7章传输线的物理基础传输线的作用：在可接受的失真度下，将信号从一端传到另一端。传输线的两个重要特征：特性阻抗、时延。传输线将信号从一端传到另一端，一条为信号路径，一条为返回路径。（为什么要有返回路径？）地线：通常我们将传输线的返回路径当作地线。而这种将第二条传输线当作地的做法，所引出的问题比解决掉的问题多得多。（将来总结一下）许多与信号完整性相关的问题，都是由于返回路径设计不合理造成的。因此在设计过程中，要像设计信号路径那样来设计返回路径（包括影响返回路径的其他路径）。信号是指，信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差。对传输线电气特性有影响的几何结构：导线沿线的横截面均匀程度，两导线的相似程度。均匀传输线：导线上，任何一处的横截面都相同，比如同轴电缆，双绞线，共面线，微带线，嵌入式微带线，带状线