信号完整性和射频知识基本概念和术语

EDA联盟网2021-11-23 16:06:52

 

一.信号完整性的一些基本概念

 

1.信号完整性Signal Integrity):就是指电路系统中信号的质量,如果在要求的时间内,信号能不失真地从源端传送到接收端,我们就称该信号是完整的。

2.传输线(TransmissionLine):由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为传输线,有时也被称为延迟线。

3.集总电路Lumped circuit):在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

4.分布式系统(DistributedSystem):实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯,整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络,这就是一个典型的分布参数系统。

5.上升/下降时间Rise/Fall Time):信号从低电平跳变为高电平所需要的时间,通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间,记为Tr

6.截止频率Knee Frequency):这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围(0.5/Tr),记为Fknee,一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

7.特征阻抗(Characteristic Impedance:交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为浪涌阻抗,记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

8.传输延迟Propagation delay):指信号在传输线上的传播延时,与线长和信号传播速度有关,记为tPD

9.微带线Micro-Strip):指只有一边存在参考平面的传输线。

10.带状线Strip-Line):指两边都有参考平面的传输线。

11.趋肤效应Skin effect):指当信号频率提高时,流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

12.反射Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收,发射的程度可以有反射系数ρ表示。

13.过冲/下冲Over shoot/under shoot):过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个谷值或峰值。

14.振荡:在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃(Ringing)和环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。

匹配(Termination):指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。

15.串扰:串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰,这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。

信号回流(Return current):指伴随信号传播的返回电流。

16.自屏蔽Self shielding):信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。

17.前向串扰Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)

18.后向串扰Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near-end crosstalk)

19.屏蔽效率SE):是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数,单位为分贝。

吸收损耗:吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽值氖焙蚰芰克鸷牡氖俊?br>20.反射损耗:反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。

21.校正因子:表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。

22.差模EMI:传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,就叫做差模EMI

23.共模EMI:当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI

24.发射带宽:即最高频率发射带宽,当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。

25.电磁环境:存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

27.电磁干扰:电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。

28.电磁兼容性:设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

29.系统内干扰:系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。

30.系统间干扰:有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。

31.静电放电:具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。

*建立时间(Setup Time:建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。

32.保持时间Hold Time):为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。

33.飞行时间Flight Time):指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上升时间有关。

34.Tco:是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。缓冲延迟(buffer delay):指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间

35.时钟抖动Jitter):时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差,通常可以用两个或多个时钟周期之间的差值来量度,这个误差是由时钟发生器内部产生的,和后期布线没有关系。

36.时钟偏移Skew):是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。

假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL VIH之间)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。

37.电源完整性(PowerIntegrity) 指电路系统中的电源和地的质量。

38.同步开关噪声Simultaneous Switch Noise):指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。

39.地弹Ground Bounce):指由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致的现象。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹(Power Bounce)。





二.射频知识基本概念和术语


一、基础知识
概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc
1dBm
dBm是一个考征功率绝对值的值,计算公式为:10lgP(功率值/1mw)。
[1] 如果发射功率P1mw,折算为dBm后为0dBm
[2] 对于40W的功率,按dBm单位进行折算后的值应为:
10lg40W/1mw)=10lg40000=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm
2dBi dBd
dBidBd是考征增益的值(功率增益),两者都是一个相对值,但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线,dBd的参考基准为偶极子,所以两者略有不同。一般认为,表示同一个增益,用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2. 15
[3] 对于一面增益为16dBd的天线,其增益折算成单位为dBi时,则为18.15dBi(一般忽略小数位,为18dBi)。
[4] 0dBd=2.15dBi
[5] GSM900天线增益可以为13dBd15dBi),GSM1800天线增益可以为15dBd17dBi)
3dB
dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:10lg(甲功率/乙功率)
[6] 甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是说,甲的功率比乙的功率大3 dB
[7] 7/8 英寸GSM900馈线的100传输损耗约为3.9dB
[8] 如果甲的功率为46dBm,乙的功率为40dBm,则可以说,甲比乙大6 dB
[9] 如果甲天线为12dBd,乙天线为14dBd,可以说甲比乙小2 dB
4dBc
有时也会看到dBc,它也是一个表示功率相对值的单位,与dB的计算方法完全一样。一般来说,dBc 是相对于载波(Carrier)功率而言,在许多情况下,用来度量与载波功率的相对值,如用来度量干扰(同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等)以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方,原则上也可以使用dB替代。

1、功率/电平(dBm):放大器的输出能力,一般单位为w、mw、dBm
注:dBm是取1mw作基准值,以分贝表示的绝对功率电平。换算公式:
电平(dBm)=10lgw
5W → 10lg5000=37dBm
10W → 10lg10000=40dBm
20W → 10lg20000=43dBm
从上不难看出,功率每增加一倍,电平值增加3dBm
2、增益(dB):即放大倍数,单位可表示为分贝(dB)。
即:dB=10lgA(A为功率放大倍数)
3、插损:当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减,单位用dB表示。
4、选择性:衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力。-3dB带宽即增益下降3dB时的带宽,-40dB、-60dB同理。
5、驻波比(回波损耗):行驻波状态时,波腹电压与波节电压之比(VSWR)
附:驻波比——回波损耗对照表:
SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50
回波损耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.614.0
6、三阶交调:若存在两个正弦信号ω1和ω2 由于非线性作用将产生许多互调分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1两个频率分量称为三阶交调分量,其功率P3和信号ω1或ω2的功率之比称三阶交调系数M3。
即M3 =10lg P3/P1 (dBc)
7、噪声系数:一般定义为输出信噪比与输入信噪比的比值,实际使用中化为分贝来计算。单位用dB。
8、耦合度:耦合端口与输入端口的功率比, 单位用dB。
9、隔离度:本振或信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比,单位dB。
10、天线增益(dB):指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想各向同性天线均匀辐射场场强E0相比,以功率密度增加的倍数定义为增益。Ga=E2/ E02
11、天线方向图:是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。
E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图;
H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。
一般是方向图越宽,增益越低;方向图越窄,增益越高。
12、天线前后比:指最大正向增益与最大反向增益之比,用分贝表示。
13、单工:亦称单频单工制,即收发使用同一频率,由于接收和发送使用同一个频率,所以收发不能同时进行,称为单工。
14、双工:亦称异频双工制,即收发使用两个不同频率,任何一方在发话的同时都能收到对方的讲话。
单工、双工都属于移动通信的工作方式。
15、放大器:(amplifier)用以实现信号放大的电路。
16、滤波器:(filter)通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或设备
17、衰减器:(attenuator) 在相当宽的频段范围内一种相移为零、其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的四端网络,其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。
功分器:进行功率分配的器件。有二、三、四….功分器;接头类型分N头(50Ω)、SMA头(50Ω)、和F头(75Ω)三种,我们公司常用的是N头和SMA头。
18、耦合器:从主干通道中提取出部分信号的器件。按耦合度大小分为5、10、15、20…. dB不同规格;从基站提取信号可用大功率耦合器(300W),其耦合度可从30~65dB中选用;耦合器的接头多采用N头。
19、负 载:终端在某一电路(如放大器)或电器输出端口,接收电功率的元/器件、部件或装置统称为负载。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。
20、环形器:使信号单方向传输的器件.
21、转接头:把不同类型的传输线连接在一起的装置。
22、馈 线:是传输高频电流的传输线。
23、天 线:(antenna)是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流


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  • 课程内容:

1        各模块电路原理讲解(PMC,USB,OTG,LCD,DDR NANDFLASH ,WI-FI,BT,Camera,HDMI,MIC SPEKER,认识数字信号,模拟信号,高速信号)        
2      生成网表及布局前設計參數設置:        
3        柵格设置 (栅格设计)       
4        约束规则设置 (物理规则,间距规则,等长设置,差分线创建及设置)       
5        板框處理(DXF文件导入),疊層設置        
6        常用疊層,阻抗設置及計算        


7        布局篇:        
8        整板佈局評估及规划       
10        佈局基本原則        
11        佈局DFM要求        
12        佈局順序        
13        布局注意重點        
14        USB布局  

15        LCD布局        

16        DDR NANDFLASH 布局        
17         WI-FI,BT布局,        
18        Camera 布局        
19        G_Sensor/Key 布局        
20        HDMI布局        
21        TF Card 布局        
22        TOUCH PANEL布局        
23        Audio 布局        
24        LIGHT SENSOR布局        
25        LCD panel,MIC SPEKER布局        
26        GPIO ,晶振佈局技巧        Flash/TF card布局        
27        06.System power,DC/Charge電源布局(DCDC,LDO)         


28        布線篇        
29        認識信號線:重要信號,高速信號,一般信號線        
30        布線優先順序        
30        整板布線評估與規劃        
31        布線規則設置(線寬線距)        
31        等長設置        
32        POWER及GND        
32        關鍵信號布線:時鐘,復位,差分,DDR        
33        雜散信號布線        
33        常用電路布線        
34        CPU  DDR3布线        
35        HDMI,USB,MIC SPEKER,WIFI,BT 各種封裝布線技巧        
                

       絲印篇        
36        PCB位號设计   
37        字體字號及方向原則,        
38        PCB版本及LOGO處理        
38        PPID及LAB        


39        尺寸篇        
40        標注項目        


 后期文件输出


41        Gerber输出        
42        ASM文件输出        
43        DXF文件输出        

44        X-Y坐标文件输出   

45     PDF文件输出       




  • 硬件设计培训进阶课程

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硬件设计培训进阶课程共64课时主要内容如下:




  • 信号完整性培训课程

 

培训内容:
Part 1 信号完整性和电源完整性理论

第一课时:《 高速互连PCB基本知识-1》  
主要讲解:传输线的基本理论。信号完整性的一些主要影响因素、反射的产生及影响、阻抗匹配对信号完整性的影响、网络拓扑对信号完整性的影响。

第二课时:《 高速互连PCB基本知识-2》    
主要讲解:串扰和非理想回路对信号完整性的影响。减小串扰的方法、串扰系数、非理想互联:传输损耗、连接结构、芯片封装等,非理想回路:参考平面不连续。

第三课时:《 高速互连PCB基本知识-3》    
主要讲解:电源完整性理论。电源分配系统、电源噪声、同步开关噪声、电源阻抗设计法、电源去耦。目标阻抗计算法、去耦电容设计及计算选择。合理化电容安装。

第四课时:《 高速互连PCB基本知识-4》    
主要讲解:数字时序及辐射规范(EMC)。共同时钟时序计算、源同步时序计算、PLL嵌入试时钟、码间干扰、EMC辐射理论及EMC设计。

Part 2 信号及电源仿真流程
   仿真流程可根据需要讲解不同的软件流程。包括:SigXplorer,Hyperlynx,Sigrity,Hspice,ADS,SIWAVE。

第一课时:《 Sigrity-DDR SSO》   
主要讲解:使用sigrity的DDR SSO模块进行DDRx模块的仿真流程。包括:层叠分配,电源分配,模型匹配,仿真设置等。DDRx属于源同步时序,DDR3的自动对其技术讲解。

第二课时:《POWER DC直流压降分析 》   
主要讲解:使用sigrity的POWER DC模块进行的电源仿真流程。包括:直流压降分析,交流阻抗分析,电源目标阻抗计算和设置。

第三课时:《电源去耦电容优化方案》   

主要讲解:使用sigrity的OptimizePI模块进行的电源去耦电源优化方案仿真。包括:电容容值计算,电容数量评估及位置评估。

第四课时:《电源完整性仿真-SIwave》   

主要讲解:使用SIwave做电源完整性仿真流程。包括:直流压降分析,交流阻抗分析,平面谐振分析。

Part 3 高速串行总线仿真及EMC分析

第一课时:《 POWER SI-S参数及SIwave-S参数提取》   

主要讲解:使用SIwave和sigrity的POWER SI模块对高速串行总线S参数提取。

第二课时:《SestemSI-系统级高速串行总线仿真流程》   

主要讲解:使用SestemSI做系统级高速链路仿真流程,怎么搭建仿真链路、不同速率信号的电平判断标准。(注:要做系统仿真需要使用HFSS对传输线,过孔,连接器建模)。

第三课时:《 sigrity16》   
主要讲解:主要讲解:使用3D-EM做EMC的仿真流程。
低速并行总线仿真、高速链路仿真的一些建模......



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