高速數字系統的信號完整性和輻射發射

《高速數字系統的信號完整性和輻射發射》是2010-11-1出版的圖書，作者是 (意)Spartaco Caniggia Francescaromana Maradei

基本介紹

• 書名：高速數字系統的信號完整性和輻射發射
• 作者： (意)Spartaco Caniggia Francescaromana Maradei
• 定價：￥88.00
• 出版時間：2010-11-1

內容簡介

書號：978-7-111-31272-7

作者： (意)Spartaco Caniggia Francescaromana Maradei 著 崔強 蔡華強 靳冬 譯

出版日期：2010-11-1

定價： ￥88.00

內容簡介

本書詳細的講述了高速數字系統的信號完整性和輻射發射的基本理論和總結了設計中得到的實際經驗。內容包括高速數字器件、電感、電容、信號線上的反射、串擾、有耗傳輸線、ΔI噪聲、PCB的輻射發射、PCB中的接地、測量和建模以及差分信號傳輸和PCB中不連續的建模等。

本書可作為高速數字系統的信號完整性和輻射發射設計技術的高級培訓教材，也適合作為高等院校電子、通信、電氣和自動化等專業研究生的教材。

目錄

1數字系統中的信號完整性和輻射發射概述

1.1電源和信號完整性

1.1.1電源分布網路

1.1.2 信號分布網路

1.1.3 噪聲的限制和特徵阻抗的設計

1.2 輻射發射

1.2.1輻射發射源的定義

1.2.2輻射發射標準

1.2.3實際系統的輻射發射

1.3信號和邏輯器件

1.3.1過沖、下沖和穩定狀態

1.3.2噪聲抗擾度

1.3.3時序參數

1.3.4 眼圖

1.4數字系統的建模

1.4.1數學工具

1.4.2 Spice-like電路仿真器

1.4.3全波數值工具

1.4.4專業仿真器

參考文獻

2 高速數字器件

2.1輸入輸出靜態特性

2.1.1電流和電壓規範

2.1.2 TTL器件

2.1.3 CMOS器件

2.1.4 ECL器件

2.1.5 LVDS器件

2.1.6 邏輯器件的功率和邏輯電平

2.2動態特性：門的延遲、上升和下降時間

2.3驅動器和接收器的建模

2.3.1驅動器模型的種類

2.3.2驅動器的開關電流路徑

2.3.3驅動器的非線性性能模型

2.3.4接收器的非線性性能建模

2.4輸入/輸出緩衝器信息規範（IBIS）模型

2.4.1 IBIS模型結構

2.4.2 IBIS模型和SPICE

參考文獻

3 電感

3.1環路電感

3.1.1耦合環路的電感

3.1.2細導線電路的電感

3.1.3兩個耦合環路的等效電路

3.1.4具有一個參考返回導體的兩個耦合導體的L矩陣

3.1.5三導體導線型傳輸線L的計算

3.1.6和頻率相關的內部電感

3.2部分電感

3.2.1耦合環路的部分電感

3.2.2細導線分段的部分電感的通量面積

3.2.3分解成部分電感的環路電感

3.2.4部分自電感和部分互電感

3.2.5兩個平行導體之間的電感

3.2.6由部分電感計算環路的電感矩陣

3.2.7與有限接地平面相關的部分電感

3.2.8解決PCB上的電感問題

3.3差模和共模電感

3.3.1差模電感

3.3.2共模電感

參考文獻

4 電容

4.1導體間的電容

4.1.1電容的定義

4.1.2具有參考返回導體的兩耦合導體的部分電容和電容矩陣

4.1.3具有參考返回導體的n個耦合導體的電容矩陣

4.2差模和共模電容

4.2.1差模電容

4.2.2共模電容

參考文獻

5信號線上的反射

5.1互連線的電參數

5.1.1典型的互連線

5.1.2短互連線的等效電路

5.1.3無耗傳輸線

5.1.4使用部分電感建模傳輸線

5.2無耗傳輸線上的入射波和反射波

5.2.1阻性不連續

5.2.2容性不連續

5.2.3端接阻性負載的互連線上反射

5.2.4互連線的臨界長度

5.2.5反射計算的梯格圖

5.2.6無耗傳輸線的精確模型

5.2.7傳輸線電壓的圖解法

5.3信號分布的架構

5.3.1點到點結構

5.3.2星型結構

5.3.3鏈狀結構

5.3.4匯流排型結構

5.3.5 H樹型結構

5.3.6梳狀結構

5.4傳輸線的終端

5.4.1戴維蘭終端

5.4.2串聯、並聯和交流終端

5.4.3串聯終端及其通過電路仿真與其它終端的比較

5.4.4套用於鏈狀結構的戴維蘭終端和電路仿真

5.4.5套用於鏈狀結構的串聯終端和電路仿真

5.4.6套用於匯流排型結構的戴維蘭終端和電路仿真

5.4.7終端和互連線的結構

5.4.8終端的性能

參考文獻

6 串擾

6.1耦合線的集總電路模型

6.1.1具有參考地的雙耦合傳輸線的等效電路

6.1.2容性耦合

6.1.3感性耦合

6.1.4總耦合

6.1.5雙耦合傳輸線的仿真

6.2共模和差模

6.2.1奇偶模的定義

6.2.2基於奇偶模的等效電路

6.2.3差模傳輸的等效電路

6.2.4由奇偶模仿真點對點結構和鏈狀結構

6.3數字器件的模型：仿真與測量

6.4無耗多導體傳輸線的一般分布參數模型

6.4.1 n條無耗耦合傳輸線的等效電路

6.4.2端接TTL和CMOS器件的五耦合傳輸線的測量與仿真

6.5減小串擾的技術

6.5.1減小串擾的方法

6.5.2使用接地走線作為禁止的耦合傳輸線的仿真

6.5.3雙耦合傳輸線的全波數值仿真

參考文獻

7有耗傳輸線

7.1有耗傳輸線的基本參數

7.1.1有耗傳輸線的反射機理

7.1.2集膚效應

7.1.3鄰近效應

7.1.4有耗介電效應

7.1.5有耗傳輸線上的數據傳輸

7.2使用分段法和矢量擬合技術在時域建模有耗傳輸線

7.2.1同軸電纜等效電路的提取

7.2.2雙絞電纜等效電路的提取

7.3使用散射參數技術在時域建模有耗傳輸線

7.4結論

參考文獻

8ΔI 噪聲

8.1開關噪聲

8.1.1電源分布網路

8.1.2開關電流的路徑

8.1.3設計規則

8.2電源分布的濾波

8.2.1多層PCB的濾波

8.2.2電源分布網路阻抗的測量

8.2.3基於徑向傳輸線理論的PCB電路模型

8.3地彈

8.3.1地彈的機理

8.3.2理解地彈機理的電路仿真

8.3.3 LVT基準的測量

8.4串擾和開關噪聲

8.4.1具有三條耦合線和74AC04器件的SQ試驗電路板的測量和仿真

參考文獻

9 PCB的輻射發射

9.1數位訊號的頻率特徵

9.1.1梯形波形的頻譜

9.1.2典型噪聲頻譜

9.2輻射發射的問題

9.2.1導線天線的輻射

9.2.2共模電流和差模電流及其輻射

9.2.3傳輸線的不對稱輸入產生的發射

9.2.4傳輸線的差模電流和輻射發射

9.2.5傳輸線的共模電流和輻射發射

9.2.6鏡像平面

9.3走線的發射

9.3.1計算微帶線結構和帶狀線結構輻射的天線模型

9.4 IC的發射

9.4.1 PCB上元件的輻射發射機理

9.5實際PCB的發射

9.6具有連線電纜的PCB的輻射

9.6.1發射源

9.6.2 PCB中走線的電流和電壓驅動機理

9.7作為發射源的差分驅動器

9.7.1差分驅動器的共模電流

9.7.2 UTP和SFTP電纜的輻射場機理

9.8複雜系統的發射

9.8.1同軸電纜的發射模型

9.8.2孔徑的低頻模型

9.9輻射波瓣圖

9.10輻射發射的要點和設計規則

參考文獻

10 PCB中的接地

10.1共模耦合

10.1.1什麼是地？

10.1.2地環路耦合和傳輸阻抗

10.1.3接地技術

10.2多層PCB中的地和電源分布

10.2.1信號的返迴路徑

10.2.2電源層（PWR）和接地（GND）層的計畫和布局

10.2.3變化參考平面的走線

10.2.4電源平面的分割

10.2.5壕溝/阻擋和橋

10.2.6縫合

10.3 PCB連線器的接地

10.3.1地噪聲和傳輸阻抗

10.3.2管腳的分配

10.3.3 PCB到機殼的接地

10.3.4限制電纜發射的技術

10.4分區和建模

10.4.1建模具有驅動器的電源分布用於仿真

10.5 PCB中接地的要點和設計規則

11測量和建模

11.1時域反射表

11.1.1作為“閉環雷達”的時域反射表

11.1.2 TDR的解析度和波程差

11.1.3 TDR和有耗線

11.1.4差模TDR

11.2矢量網路分析儀（VNA）

11.2.1散射參數的定義

11.2.2網路分析儀的校準

11.2.3通過S參數的仿真提取等效電路

11.2.4有關網路分析儀測量和仿真的結論

11.3通過輻射發射測量預測模型的有效性

11.3.1 EMC試驗室輻射場測量的不確定度和數值仿真

11.3.2建模輻射源

11.3.3有關輻射發射數值預測模型的有效性與測量比較的結論

參考文獻

12差分信號傳輸和PCB上不非連續的建模

12.1差模信號傳輸

12.1.1單端傳輸與差分信號傳輸

12.1.2 PCB上使用走線的差分互連和ATCA標準

12.1.3差分器件：信號電平的比較

12.1.4差分信號的分布和終端

12.1.5 LVDS器件

12.2建模封裝和PCB上互連的不連續

12.2.1多層板

12.2.2彎曲走線

12.2.3蛇形走線

12.2.4地槽

12.2.5過孔

12.2.6連線器

12.2.7 IC封裝

參考文獻

附錄A部分電感的計算公式

A.1圓導線

A.2 母線

A.3套用電感計算公式的例子

參考文獻

附錄B微帶線和帶狀線的特徵阻抗、時延和衰減

B.1微帶線

B.2帶狀線

B.3走線衰減和鄰近效應參數

參考文獻

附錄C PCB的電源分布網路諧振的計算

C.1腔體模型

C.2 Spice模型

C.3數值模型

C.4仿真的結果

參考文獻

附錄D簡單輻射結構的計算公式

D.1導線結構

D.2導線和接地平面

D.3孔徑的發射

參考文獻

附錄E計算有限接地平面的部分電感的節點法

E.1節點法的等式

E.2套用節點法計算有限接地平面的部分電感

參考文獻

附錄F網際網路上的檔案

F.1第1章的程式檔案

F.2第2章的程式檔案

F.3第5章的程式檔案

F.4第6章的程式檔案

F.5第7章的程式檔案

F.6第8章的程式檔案

F.7第9章的程式檔案

F.8第10章的程式檔案

索引

樣章

第1章 數字系統中的信號完整性和輻射發射概述

本章為概述性的章節，討論了研究信號完整性(SI)和輻射發射(RE)的目的。

信號完整性是一個非常重要的任務，目的是確保電信號高質量的正常工作。信號完整性影響各級的電子封裝，包括但不僅限於積體電路。對於高速數字產品，在積體電路(IC)的封裝或者印製電路板（PCB）級，涉及信號完整性的主要問題是：由於互連線的不連續出現的反射，由鄰近連線線感應的噪聲（串擾）和由數字器件的開關產生的電源分布上的噪聲。由於實際數字器件的快速開關，如果不通過控制參數，例如互連線（應認為是傳輸線）的特徵阻抗和間距，來減小這些噪聲，則所有這些噪聲都會引起功能性的問題。本章列出了影響信號完整性的各種噪聲，後面的章節將分別對不同的噪聲進行詳細的介紹和研究。

由於設備或系統在其使用環境中必須滿足電磁兼容，因此我們必須關注該設備或系統產生的輻射發射。電子裝置產生的電磁場會無意的傳播到裝置的外部空間，可能對裝置的正常工作或附近其它裝置的正常工作產生干擾。因此，設備或系統在進入市場銷售之前，要對電子模組產生的輻射發射進行控制，以符合強制性的標準。在本章，重點討論FCC第15部分和CISPR 22對數字系統產生髮射的規定，並對測試的場地進行了介紹。特彆強調了歐洲頒布的新的EMC指令2004/108/EC，該指令允許使用計算從而通過計算機仿真替代測量來證明產品符合發射和抗擾度的基本要求。研究了複雜數字系統的三個主要發射源（走線、積體電路和電纜）。給出了一個滿足輻射發射要求的複雜系統的實例，並討論了在禁止和非禁止的情況下其產生的發射頻譜。通過使用簡單的輻射結構表明了減小輻射發射的困難。

在本章的第三部分，定義了信號完整性的重要參數。給出了一些由於互連線上的反射，裝置的電壓和電流不滿足規範時導致的數據錯誤的實例。給出一個評估信號抖動的眼圖實例。

本章的最後一部分給出了適合用來預測信號完整性和輻射發射問題的方法的綜述。討論了數學的、電路的和數值代碼仿真方法的優缺點。給出了本書中用仿真方法解決問題的列表。

1.1 電源和信號完整性

在電設計方面，電源和信號完整性涉及兩個問題：信號的時序和質量。電源和信號完整性分析的目的是確保可靠的高速數據傳輸。通過使用制定的設計規則能夠減小反射、串擾和開關噪聲（ΔI噪聲）引起的數位訊號的時延和失真：

·反射指的是由數字器件的互連線的不連續引起的信號波形失真，如阻抗不匹配，短截線、過孔和其它傳輸線的不連續性。

·串擾指的是由其它線與信號線之間的容性和感性耦合產生的噪聲。

·開關噪聲指的是積體電路和其封裝的電源網路的感應路徑上的電壓降，在信號線上感應的騷擾。該噪聲通常也稱為地彈、ΔI_噪聲和同步開關噪聲（SSN）。

由於相關的騷擾認為是系統的內部噪聲，它們不會對環境或其它的附近設備或系統產生干擾，因此標準不會對電源和信號完整性進行控制。PCB設計者的任務就是制定一套設計規則以限制影響信號時序和質量的噪聲。為了實現這個目的，就必需使用電路和數值仿真的方法。

評估這類問題的第一步是通過等效電路建模已放置了數字器件的PCB的物理結構。PCB要考慮的物理參數包含：寬度、厚度、以及互連線（走線）的間距；基板的介電常數；過孔或者孔洞的直徑和間距。通常通過封閉表達式（如果可能），或者使用解場程式進行建模以計算需要的電感、電容和電阻。一旦知道這些線性網路參數，就能夠計算需要的任何量，例如傳輸線的特徵阻抗 (Ω),傳輸線的傳輸時延 (s)和傳輸線的耦合係數。