小幽余生不加糖

1.所有互连线的电气特性都完全可以应用麦克斯韦方程来描述、这四个方程描述了电场和磁场是如何与边界条件（即一些几何结构中的导体和介质）相互作用的。所有互联和无源元件的电气描述都基于3种理想的集总电路元件（电阻器、电容器和电感器）和一个分布元件（传输线）。2.优化系统物理设计的关键是：能够根据物理设计准确地预估出系统的电气性能，并且根据要求的电气性能又能更高效地优化物理设计。3.考察互联电气性能最简单的出发点就是他的等效电路模型，所有模型都由两部分组成：电路拓扑结构和各个电路元件的参数值。4.建立了互联

信号完整性分析概论1.信号完整性（SI）：指在高速产品中由互联线引起的所有问题；研究当互联线与数字信号的电压电流波形相互作用时，其电气特性如何影响产品的性能，SI又叫信号波形失真。2.电源完整性（PI）：指为有源器件供电的互联线及各相关元件上的噪声；PDN（电源分配网络）3.电磁兼容（EMC）：主要是指产品自身产生的电磁辐射和由外场导入产品的电磁干扰；一般讨论方案时说电磁兼容，讨论辐射问题时说电磁干扰（EMI）。4.串扰：在传播信号时，有些电压和电流能够传递到邻近的静态网络上，而这个网络正在处理自己

信号完整性问题的11个基本原则提高高速产品设计的关键是：充分利用分析工具实现准确的性能预估，使用测量手段验证设计过程，降低风险并提高所采用设计工具的可信度。将问题的实质与表面现象剥离开的唯一可行途径是：采用经验法则，解析近似，数值仿真工具或测量工具获得数据，这是工程实践的本质要素。任何一段互联，无论线长和形状，也无论信号的上升边如何，都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互联前进的每一步，都会感受到一个瞬时阻抗。如果阻抗恒定为常数，比如具有均匀横截面传输线的情况，那么其信

电感的物理基础1.电感的定义：通常是指由导线绕成的线圈或螺线杆的电感，其中有磁力线通过。或者说对表面磁场强度的数值积分。2.电感三个基本法则：（1）电流周围会形成闭合磁力线匝数；（2）电感是导体电流1A时周围的磁力线匝数；（3）周围磁力线匝数改变时，导体两边产生感应电压。3.我们以韦伯Wb为单位计算电流周围的磁力线匝数，但是磁力线受很多因素的影响：（1）导体中电流的大小影响电流周围磁力线匝数，电流越大磁力线匝数就会增加；（2）导体长度越长，磁力线匝数就越多；（3）导体的横截面积也影响磁力线

时域与频域1.时域：是真实的世界，是唯一存在的域。其中：Fclock​是时钟频率，单位为GHz.Tclock​是时钟周期，单位为ns.根据逻辑系列可知，下降时间通常比上升时间短一些（由典型CMOS输出驱动器的设计造成的）上升边：信号从低电平跳变到高电平所经历的时间（10%~90%或20%-80%）20%-80%作为品质因数会好一些，IBIS模型常常用。一般而言，驱动器下降沿比上升沿更短，因为N管比P管导通速度快。2.频域：频域是数学构造的，正弦波是频域中唯一存在的波形，这是频域中最重要的法则。

电容的物理基础1.导体的电容量就是单个导体上存储的电荷量与导体之间电压的比值。2.电容是对两个导体在给定电压下存储电荷效率的变量。3.如果两个导体之间没有直流路径，在他们之间就有电容，其阻抗会随频率的升高而降低，在高频时阻抗会非常低。4.电容的微妙之处在于即使两个导体之间没有直接连接线（可能是两条不同的信号线）导体之间也总是有电容存在的。5.理想电容器中，两个导体之间没有直流通路，只有当两个导体之间的电压变化时，才有电流流经电容器。I=C*（du/dt）6.在时域中，电容量越大，电容器的阻抗

阻抗与电气模型1.用阻抗描述信号完整性（1）信号是指变化的电压或变化的电流 。所有信号完整性问题都是由模拟信号（变化的电压或者电流）与互联电气特性之间的相互作用引起的，而影响信号的关键电气特性是互联的阻抗。（2）阻抗被定义为电压和电流之比：知道了互联的阻抗和传播时延，也就知道了它的几乎所有的电气特性。（3）以下问题都可以用阻抗加以描述①任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这使信号质量会出现问题。如果信号所感受到的阻抗保持不变，就不会发生反射，信号也不会失真。衰减效应是由串联和并联阻抗引起的

有损线、上升边退化与材料特性（一）1.**保持时间：hold time：**在时钟事件发生之后，数据信号应持续稳定的最短时间；**建立时间：setup time：**在时钟事件发生前数据信号应保持稳定的最短时间。2.（1）由传输线损耗引起的上升边退化是引起符号间干扰（ISI）和眼图塌陷的根源；（2）时钟频率高于1GHz且传输长度超过10in的信号，传输线损耗是首要的信号完整性问题；（3）在频域中分析与频率相关的损耗是最简单的，实际上由损耗线产生的问题具有很明显的时域特性，所以最终在时域分析总的响

传输线与反射（一）1.只要信号遇到瞬时阻抗突变就会发生反射。设计互联的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。（1）要保持互联的瞬间阻抗匹配；（2）可以在传输线的终端进行阻抗匹配；（3）即使已经是可控阻抗互联和终端端接，布线的拓扑结构也会影响反射。为了使阻抗的变化和反射噪声最小化，一个重要的策略就是维持一个线性的布线拓扑，线上不需要有太多分支和桩线。2.无论什么原因使瞬时阻抗发生了变化，部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变。瞬时阻抗发生改变的地方称为阻抗突

电感的物理基础 二1.回路中某一段的有限电感，净电感或总电感是指回路中的电流为单位安培时，环绕在该段周围的磁力线匝数总数。包括整个回路中任何电流段的磁力线匝数。2.最小化返回路径上的电压降（地弹电压）只有两种方法：（1）减小回路电流变化率（2）尽可能减小LtotalLtotal=​(Lb​+Lab​)减小支路的局部自感，增大两支路之间的局部互感。3.在电源分配网络系统中，减小任意一条支路净电感的常用设计是：尽可能让同向平行电流之间的间距大于他们的长度。4.在同一焊盘中有多个过孔的另一个重要的优

传输线与反射（二）1.选择合适的设计方案，是信号完整性工程的一项重要内容。信号会遇到阻抗突变的情况：（1）线的两端（2）封装引线（3）输入门电阻（4）信号层之间的过孔（5）拐角（6）桩线（7）分支（8）测试焊盘（9）返回路径上的间隙（10）过孔区的颈状（11）线交叉2.突变引起的信号失真程度受两个最重要的参数影响：信号的上升边和阻抗突变的大小。3.只有把产生突变的物理结构转换成相应的电路模型并进行仿真，才能充分明白阻抗突变及上述这些因素的影响程度，而经验法则只是在问题出现时，

传输线的物理基础（三）1.理想传输线是一种新的理想电路元件；恒定的瞬时阻抗和相应的时延。2.当把理想的分布传输线近似为一系列的LC电路时，模型中表示的电感实际上就是回路电感。单位长度电容Cl，单位长度电感Ll都为常数，这两个参数被称为线参数。在极端情况下，当电容和电感无穷小时， LC 电路的节数就趋于无穷，单位长度电容C, 和单位长度电感L, 都为常数。这两个参数通常称为传输线的线参数。如果给出传输线的总长度Len, 那么总电容为：总电感为：其中：CL​ 表示单位长度电容LL​ 表示单位

传输线与反射（三）1.容性终端的反射（1）当信号沿传输线到达末端的理想电容器时，决定反射系数的瞬时阻抗将随时间的变化而变化，因为时域中的电容器阻抗为：（2）如果时间足够长，电容器充电达到饱和，电容器就相当于断路。（3）这意味着反射系数随时间的变化而变化，反射信号将先下跌再上升到开路状态的情形。这个精确波形是由传输线特性阻抗Z0、电容器的电容量和信号上升边决定的。2.电容器对信号上升边进行滤波，对接收端而言，它就相当于一个“时延累加器”。新的信号的上升边上升至幅度中间值的时延增加量，即时延累加。

传输线的物理基础（二）1.传输线的输入阻抗与时间有关，他取决于测量时间相对于信号往返时间的长短。在信号往返时间内，传输线前端的阻抗就是传输线的特性阻抗；在往返时间之后，根据传输线末端负载的不同，输入阻抗可在零到无穷大之间变化。2.传输线的瞬时阻抗： 就是信号沿传输线传播时所受到的阻抗。如果横截面是均匀的，沿线的瞬态阻抗就处处相等。但是在突变处，瞬态阻抗就会变化，比如在末端。如果末端开路，则当信号传播到末端时，它所受到的瞬态阻抗就为无穷大。如果有一分支，则信号在分支点处受到的瞬态阻抗就会下降。传输线的

传输线的物理基础（一）1.传输线;两条有一定长度的导线组成的，一条称为信号路径，一条称为返回路径。特性是：特性阻抗和时延。2.当信号沿传输线传输时，需要同时用到信号路径和返回路径。如果两个导线不想同，如微带线，则通常把较窄的那一条称为信号路径，而把平面称为返回路径。3.如果知道信号感受到的阻抗，根据信号电压大小就能计算出电流，从这个意义上讲，信号可以被定义成电压或电流。4.几何结构中有两个基本的特征完全决定了传输线的电气特性：（1）导线沿线横截面的均匀程度；（2）两条导线的相似度和对称程度。①

传输线的串扰（一）1.四类信号完整性问题：（1）单根传输线的信号完整性问题—反射效应；（2）相邻线传输之间的信号串扰问题—串扰效应；（3）与电源完整性相关的问题—轨道塌陷；（4）电磁干扰EMI和辐射问题—电磁干扰。①串扰是四类信号完整性问题之一，指的是有害信号从一个线网传递到相邻线网，任何一对线网之间都存在串扰。②我们通常把噪声源所在的线网称为动态线或攻击线，而把由噪声形成的线网称为静态线或者受害线。③串扰是发生在一个线网的信号路径及返回路径与另一个线网的信号路径及返回路径之间的一种效应。不

传输线的串扰（三）1.近端串扰：近端噪声电压与流过近端端接电阻器的净耦合电流有关，有如下4个特征：（1）如果耦合长度大于饱和长度，则噪声电压将达到一个稳定值；（2）如果耦合长度比饱和长度短，则电压峰值将小于NEXT；（3）近端噪声持续的总时间长度是2*Td，若耦合区域的时延为1ns，则近端噪声将持续2ns。（4）近端噪声是由信号的上升边引起的。2.当两条传输线靠近时，互容和互感将增加，从而NEXT也将增加。3.对于5mil宽的微带线和带状线为了使近端噪声小于2%，最小线间距应约为10mil，这

S参数在信号完整性中的应用（三）1.对S参数元素的解释取决于对端口的指派情况。元器件内部的确切连接将会影响如何解释每个S参数。最常见的情况就是6条不同传输线的端口指派，则对于每个具体S参数的解释也将会做相应的改变。当有12个端口时，一共有78个独立的S参数元素，每个元素都有幅度和相位，并且都随频率而变化，对角线元素代表每条传输线的返回损耗，他们包含了互连阻抗变化的信息，如果互联都相似，且对称则有对角线元素将会相等。6个不同的直传信号，即插入损耗S21,S43,S65,S97.S910和S12,11包含

S参数在信号完整性中的应用（二）1.端口阻抗的行业标准是50Ω，然而，原则上阻抗可以为任意值。当端口阻抗改变时，返回损耗和插入损耗所表现出的行为也会发生改变。（1）使端口阻抗远离互连的特征阻抗会增加返回损耗。返回损耗的值是端口阻抗的复杂函数；（2）描述互连的S参数时，不要求端口阻抗和元器件阻抗一定要匹配。除非有限制性原因，通常使用50Ω。2.在实际工作中，将端口阻抗改为50Ω的唯一原因是，为了能从仪器屏幕上直接定性地评估非50Ω环境下的元器件质量。3.在75Ω环境下，75Ω电缆在频率低于1GHz时，几

这一容性阻抗是芯片在GHz以上刊带的电源分配网络的唯一特性，它通常是具有最低的回路电感，电源分配网络的各部件中只有片上电容在最高频率才能提供最低阻抗。这通常取决于封装、过孔，以及过孔到电源/地平面连接处的扩散电感。4.封装内的电源分配网络的等效串联电感将始终制约着芯片向板级电源分配网络看过去的最高频率，这将是板级电源分配网络设计的一个高频限制。为了确定板级电源分配网络的设计目标，可以首先确定由封装引脚、过孔和扩散电感共同作用的阻抗开始超过目标阻抗时的频率点，这正是板级阻抗能对芯片发挥作用的高频上限频率。..

传输线的串扰（四）1.防护布线。-100dB指出现在敏感静态线的噪声值小于动态信号的0.001%。2.隔离两条走线的行之有效的办法是使他们在有不同返回路径的层上布线。防护布线是位于攻击线和带屏蔽受害线之间的隔离线，信号之间的防护布线应该尽量宽，同事还要符合线间距的设计规范。3种防护布线的比较（1）线间距很近的两条微带线，线宽和线间距都是5mil；（2）将线间距加大到可以加入防护布线的最小间距，15mil；（3）将线间距加大到15mil，并加入防护布线。3.（1）加大线间距可以得到许多好处

差分对与差分阻抗（四）1.任何瞬变共摸信号沿差分对传播时，都会在末端感受到一个较高的阻抗返回源端。即使在两条信号线之间跨接一个100Ω的电阻器，由于共摸信号在两条信号线上有相同的电压，它也不会感受到这个电阻器，受驱动器阻抗的影响，产生的任何共摸信号都将会往返振荡，出现振铃效应。如果差分对存在不对称，就会使一些差分信号变成共摸信号，而共摸信号往返振荡时又再次遇到这种不对称，一些共摸信号有可能转化回差分信号，这将会引起差分噪声。2.端接共摸信号不是消除共摸信号，只是阻止共摸信号在电路之间往返振荡。如果共摸信号引

有损线、上升边退化与材料特性（三）1.以dB度量的衰减将随着线长度的增加而线性增加。衰减是个表示有损传输线特殊性质的新术语，它是求解二阶有损RLGC电路模型的直接结果。通常用αn表示单位长度衰减。在低损耗近似中：如果随频率的变化，导线的单位长度串联电阻和由介质引起的单位长度并联电导都是常量，则传输线的衰减当频率变化时也是常量。所有频率感受到的损耗量都是相同的。2.由于趋肤效应的影响，单位长度串联电阻Rl随着频率的平方根增加；由于介质耗散因子的影响，单位长度并联电导Gl随着频率而线性增加。这意味着衰

超过目标阻抗的电源分配网络可能会导致过量的扰动，而远小于目标阻抗的电源分配网络则可能存在过度的设计，增加了不必要的成本。设计电源分配网络的第一步是确定目标阻抗。电源分配网络阻抗设计的许多方面，尤其是电容器容值的选择，都是旨在减小电源分配网络的阻抗峰值。假定芯片中的电流产生了波动如果要保持芯片焊盘之间的电压稳定，就需要保持电源分配网络阻抗低于目标阻抗值，这就是电源分配网络设计的根本的指导原则。电源分配网络导体上的轨道塌陷或电压噪声的根本原因在于流过源分配网络阻抗的芯片电流导致电源分配网络互连上产生了电压降。.

当各自的理想电容容抗与该电容器的理想电感感抗匹配时，就会发生谐振情况，并联电容器组合的自谐振频率和单个电容器各自的自谐振频率相同。当有个具有不同的自谐振频率的电容器并联时，在他们的自谐振频率之间形成了一个并联谐振阻抗峰值。12.通过优选电容器容值就能用最少的电容器设计出平坦的阻抗曲线，只要精选电容器的容值，就能做到满足目标阻抗所需电容器个数最少，这一过程是在修正阻抗曲线。2.多个相同电容器并联的阻抗曲线，如图，该图表明总的RLC曲线轮廓保持相似，但整个频率范围内的总的阻抗是变化的。...

差分对与差分阻抗（二）1.实际耦合影响当我们把两条带状线靠得很近时，它们的边缘电场和磁场就会互相覆盖之间的耦合强度也会很强。由电容和电感矩阵元素描述的耦合与所加电压完全无关，它只与导线的几何结构和材料特性有关。两条信号线的间距越小，他们之间的耦合就越强。2.当两条信号线距离非常近时，邻近信号线的存在将会影响线1的阻抗称为接近效应。（1）两条信号线由方向相反的两个信号跳变驱动，电流从驱动器流进信号线1，然后流向返回路径，当两条信号线靠近时，为了驱动单端信号线更大的电容，这个电流将会增大。如果所加电压没有变化

传输线的串扰（二）1.为了得到一组导线的电容量，需要求解的方程就是拉普拉斯方程：这个微分方程要在具体的边界条件和介质材料情况下求解，通过求解这个方程，可以计算空间中每一点的电场。2.麦克斯韦电容矩阵元素定义与SPICE电容矩阵元素的定义不同。麦克斯韦电容矩阵元素实际上是根据以下公式定义的：麦克斯韦电容矩阵的对角元素称为其负载电容：这个电容不是导线与返回路径即参考地之间的电容，而是导线与返回路径及其他所有与地之间相连的电容，这个电容通常比SPICE的对角电容大。3麦克斯韦电容矩阵因为导线上的

差分对与差分阻抗（三）1.给线上加上0V到1V的跳变信号，给线2加上0V的恒定信号，在沿差分对传播时，电压模式会发生变化，通常，任意信号沿差分对传播时，电压模式都会发生变化。2.对于边缘耦合微带线差分对而言，有两种特殊的电压模式可以实现无失真的传输。（1）给两条信号线加相同的信号；（2）可以沿着差分对无失真传播的电压模式就是给两条信号线加相同的跳变信号。这两种沿差分对无失真传播的信号电压模式对应了差分对被激活的两种特殊状态，称为差分对的模态。当差分对以两种模态中的一种激励时，它上面的信号就可以实现无失

有损线、上升边退化与材料特性（二）1.为了表征不同材料中偶极子的情况，必须引入一个新的材料电气特性。这个与偶极子运动相关的新材料特性称为耗散因子。即：通常将 耗散因子写成损耗角的正切：tan（δ）。随着频率的升高，当偶极子移动同样距离时，其移动速度将变快。因此，电流和电导率将随之提高。聚合物交联链接程度越高，偶极子压合越紧密，耗散因子就越小。需要用两个术语完整的表示介质材料两个重要电气特性：（1）介电常数表示材料如何加大电容和降低材料中的光速；（2）耗散因子表征偶极子数目及其运动，给出电导率随

11.在电源/地平面之间采用超薄叠层获得较低的扩散电感，是比采用常规FR4介质材料时性能改善的真正原因，此时即使平面电容值大了一些，由于片上电容比电源/地平面的电容大得多，所以大电容起的作用不大。如果通过在顶层表面放置电容器，可以获得较低的回路电感，那么这将是首选，但作为一个通用法则，如果可以选择在两个地方放置电容器，那么最好两个地方都用上。4.一个实际的0603电容器在不同频率下的实测阻抗，虽然起初看似一个理想的电容器，但与理想电容器不同，实际电容器的阻抗会先到达一个最低值，然后阻抗值开始增加。...

100条估计信号完整性效应的经验法则----内容来自《信号完整性分析与电源完整性分析-第三版》当快速的得到粗略的结果比以后得到优良的结果更重要，就应该使用经验法则。当然不能盲目的使用经验法则，他必须基于对基本原理的深刻了解和良好的工程判断能力。第2章1、信号上升时间约是时钟周期的10%，即1/10x1/Fclock。例如100MHZ 使中的上升时间大约是1NS.2、理想方波的N 次谐波的振幅约是时钟电压副值的2/（N 派）倍。例如，1V时钟信号的第一次谐波幅度约为0.6V，第三次谐波的幅度约是0.2V。3、

S参数在信号完整性中的应用（一）1.在信号完整性领域，S参数又称为行为模型，因为它可以作为描述线性。无源互联行为的一种通用手段，它的适用范围包括了除一些铁氧体以外的所有互联。一般而言，信号作为激励作用于互联时，互联的行为会产生一个响应信号，在激励-响应波形中隐含着的就是互联的行为模型。每一种互联的电气行为都可以用S参数加以描述包括：电阻器、电容器、电路板走线、电路板平面、背板、连接器、封装、插座、电缆。显然这一体系已经并将继续在非常多的应用场合，作为一种有效的表征技术。2.从根本上讲，一种行为模型描

差分对与差分阻抗（五）1.（1）将差分对之间的不对称和驱动器之间的错位降到最低，从而使差分信号向共摸信号的转化降到最低限度；（2）使用屏蔽双绞线，用屏蔽层作为共摸电流路径的阻抗；（3）用添加共摸扼流器的办法增大共摸电流路径的阻抗。共摸扼流器两种形式①有铁氧材料圆柱体环绕在电缆的外部；②第二类共摸信号扼流器主要用于双绞线中。通常将双绞线对绕成一个线圈，有时还会插入一个铁氧体磁芯。扼流器是减小辐射的一种有效元件。2.如果将一条单端传输线靠近差分对，那么由于与动态单端线之间有耦合，差分对的两条走线上

差分对与差分阻抗（一）1.差分对是指存在耦合的一对传输线。差分信令是用两个输出驱动器去驱动两条独立的传输线，所测量的信号是两条线之间的差。差分信令与单端信令相比有许多优点：（1）双驱动器产生的di/dt比单端驱动器时的大幅降低，从而减小了地弹，轨道塌陷和潜在的EMI。（2）与单端放大器相比，接收器中的差分放大器可以有更高的增益；（3）差分信号在一对紧耦合差分对中传播，其串扰较小，应对差分对的两条传输线公共返回路径中的突变的稳健性也比较好。（4）差分信号通过连接器或封装时，不易受到地弹和开关噪声的干

如果使用去耦电容器减少返回路径的阻抗，那么它的电容值并不是最重要的，关键是选取并设计具有最低回路电感的电容器。78、采用频域目标阻抗法（FDTIM）选择电容器的容值，以抑制片上电容和封装引脚电感所构成的Vdd平面上的并联阻抗峰值，以确保平坦的阻抗曲线。77、在封装中应使用尽可能多的低电感去耦电容器，以抑制由片上电容和封装引脚电感所构成的Vdd平面上的并联阻抗峰值，以确保平坦的阻抗曲线。49、在可接收的范围内使信号路径与返回路径尽量接近，并保持与系统阻抗的匹配，可以减小信号返回路径中的地弹。...