信号完整性基础知识

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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
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5 ZTE 中兴
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
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ZTE 中兴 6
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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