信號(hào)完整性包含：

 

1、波形完整性（Waveform integrity）

2、時(shí)序完整性（Timing integrity）

3、電源完整性（Power integrity）

 

信號(hào)完整性分析的目的就是用最小的成本，最快的時(shí)間使產(chǎn)品達(dá)到波形完 整性、時(shí)序完整性、電源完整性的要求。

 

我們知道：電源不穩(wěn)定、電源的干擾、信號(hào)間的串?dāng)_、信號(hào)傳輸過程中的反射，這些都會(huì)讓信號(hào)產(chǎn)生畸變，看下面這張圖，你就會(huì)知道理想的信號(hào)，經(jīng)過：反射、串?dāng)_、抖動(dòng)，最后變成什么鬼。

 

 

典型的信號(hào)完整性問題：反射、串?dāng)_、電源/ 地噪聲、時(shí)序等。

 

反射 

 

由于傳輸系統(tǒng)阻抗不匹配，會(huì)使傳輸?shù)男盘?hào)不 能被完全吸收，造成部分能量返回。反射造成信號(hào)出現(xiàn)過沖（Overshoot）、振鈴（Ringing）、邊沿遲 緩（階梯電壓波）。過沖是振鈴的欠阻尼狀態(tài)，邊沿遲緩是振鈴的過阻尼狀態(tài)。下圖為信號(hào)反射的三種表現(xiàn)形式。

 

 

過沖一方面會(huì)造成強(qiáng)烈的電磁干擾，另一方面 會(huì)損傷后面電路的輸入級(jí)，甚至失效。而振鈴會(huì)帶 來信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間不能穩(wěn)定，邊沿遲緩帶來信號(hào)上升時(shí) 間過長(zhǎng)，二者都可能帶來信號(hào)的時(shí)序問題，如時(shí)鐘數(shù)據(jù)同步、建立與保持時(shí)間不滿足等。

 

PCB設(shè)計(jì)總有幾個(gè)阻抗沒法連續(xù)的地方，怎么辦？

 

PCB的阻抗控制

 

高速電路設(shè)計(jì)/信號(hào)完整性的一些基本概念

 

為什么一般傳輸線特性阻抗都希望控制為50歐姆？

 

為什么PCB走線中避免出現(xiàn)銳角和直角？

 

PCB中的平面跨分割

 

串?dāng)_ Crosstalk 

 

由于導(dǎo)線之間間距過小，當(dāng)有快速變化的電流 流過導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，而使鄰近的導(dǎo)線上 感應(yīng)出信號(hào)電壓，稱為串?dāng)_（Crosstalk）。 下圖為信號(hào)串?dāng)_試驗(yàn)?zāi)Ｐ停约笆苡绊懶盘?hào)線上的串?dāng)_信號(hào)。

 

 

串?dāng)_一方面是EMC主要根源之一，另一方面， 串?dāng)_干擾正常的信號(hào)流，有可能造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，是造成誤碼的主要原因之一。問題發(fā)生沒有一定規(guī)律， 時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，診斷與定位往往花費(fèi)大量時(shí)間與精力。

 

串?dāng)_和反射能讓信號(hào)多不完整？

 

互感--連接器如何引起串?dāng)_

 

某單板經(jīng)常發(fā)現(xiàn)工作一段時(shí)間后，網(wǎng)口工作異 常，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常有誤碼。詢問供應(yīng)商，該現(xiàn)象一 般和某芯片的信號(hào)受到干擾有關(guān)。 檢查 PCB 發(fā)現(xiàn)，在相鄰層該信號(hào)和一條 100M 信號(hào)相重疊，中間沒有地平面分隔，由此引入干擾。

 

 

反射－－初始波

 

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射一個(gè)信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)，信號(hào)的幅值取決于電壓、緩沖器的內(nèi)阻和傳輸線的阻抗。驅(qū)動(dòng)器端看到的初始電壓決定于內(nèi)阻和線阻抗的分壓。

 

 

反射系數(shù)

 

其中-1≤ρ≤1

 

當(dāng)ρ=0時(shí)無反射發(fā)生

 

當(dāng)ρ=1(Z 2 =∞，開路)時(shí)發(fā)生全正反射

 

當(dāng)ρ=-1(Z 2 =0，短路)時(shí)發(fā)生全負(fù)反射

 

 

初始電壓，是源電壓Vs（2V）經(jīng)過Zs（25歐姆）和傳輸線阻抗（50歐姆）分壓。

 

Vinitial=1.33V

 

后續(xù)的反射率按照反射系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算

 

 

源端的反射率，是根據(jù)源端阻抗（25歐姆）和傳輸線阻抗（50歐姆）根據(jù)反射系數(shù)公式計(jì)算為-0.33；

 

終端的反射率，是根據(jù)終端阻抗（無窮大）和傳輸線阻抗（50歐姆）根據(jù)反射系數(shù)公式計(jì)算為1；

 

我們按照每次反射的幅度和延時(shí)，在最初的脈沖波形上進(jìn)行疊加就得到了這個(gè)波形，這也就是為什么，阻抗不匹配造成信號(hào)完整性不好的原因。

 

 

由于連接的存在、器件管腳、走線寬度變化、走線拐彎、過孔會(huì)使得阻抗不得不變化。所以反射也就不可避免。

 

 

串?dāng)_

 

電壓后者電流有變化，自然就會(huì)往外輻射電磁波

 

 

串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲。

 

串?dāng)_是由電磁耦合引起的，耦合分為容性耦合和感性耦合兩種。

 

容性耦合是由于干擾源（Aggressor）上的電壓變化在被干擾對(duì)象（Victim）上引起感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的電磁干擾；

 

而感性耦合則是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的電磁干擾。因此，信號(hào)通過一導(dǎo)體時(shí)會(huì)在相鄰的導(dǎo)體上引起兩類不同的噪聲信號(hào)：容性耦合信號(hào)和感性耦合信號(hào)。

 

感性耦合：

 

 

容性耦合：

 

 

電源完整性

 

電源完整性（Power integrity）簡(jiǎn)稱PI，是確認(rèn)電源來源及目的端的電壓及電流是否符合需求。

 

電源完整性在現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中相當(dāng)重要。有幾個(gè)有關(guān)電源完整性的層面：芯片層面、芯片封裝層面、電路板層面及系統(tǒng)層面。在電路板層面的電源完整性要達(dá)到以下三個(gè)需求：

 

1、使芯片引腳的電壓噪聲+電壓紋波比規(guī)格要求要小一些（例如芯片電源管腳的輸入電壓要求1V之間的誤差小于+/-50 mV）

 

2、控制接地反彈（地彈）（同步切換噪聲SSN、同步切換輸出SSO）

 

3、降低電磁干擾（EMI）并且維持電磁兼容性（EMC）：電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）是電路板上最大型的導(dǎo)體，因此也是最容易發(fā)射及接收噪聲的天線。

 

名詞解釋：

 

a、“地彈”，是指芯片內(nèi)部“地”電平相對(duì)于電路板“地”電平的變化現(xiàn)象。以電路板“地”為參考，就像是芯片內(nèi)部的“地”電平不斷的跳動(dòng)，因此形象的稱之為地彈（ground bounce）。

 

當(dāng)器件輸出端由一個(gè)狀態(tài)跳變到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，地彈現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致器件邏輯輸入端產(chǎn)生毛刺。對(duì)于任何形式封裝的芯片，其引腳必會(huì)存在電感電容等寄生參數(shù)，而地彈主要是由于GND引腳上的阻抗引起的。 集成電路的規(guī)模越來越大，開關(guān)速度不斷提高，地彈噪聲如果控制不好就會(huì)影響電路的功能，因此有必要深入理解地彈的概念并研究它的規(guī)律。

 

 

我們可以用下圖來直觀的解釋一下。圖中開關(guān)Q的不同位置代表了輸出的“0”“1”兩種狀態(tài)。假定由于電路狀態(tài)裝換，開關(guān)Q接通RL低電平，負(fù)載電容對(duì)地放電，隨著負(fù)載電容電壓下降，它積累的電荷流向地，在接地回路上形成一個(gè)大的電流浪涌。隨著放電電流建立然后衰減，這一電流變化作用于接地引腳的電感LG，這樣在芯片外的電路板“地”與芯片內(nèi)的地之間，會(huì)形成一定的電壓差，如圖中VG。這種由于輸出轉(zhuǎn)換引起的芯片內(nèi)部參考地電位漂移就是地彈。

 

 

芯片A的輸出變化，產(chǎn)生地彈。這對(duì)芯片A的輸入邏輯是有影響的。接收邏輯把輸入電壓和芯片內(nèi)部的地電壓差分比較確定輸入，因此從接收邏輯來看就象輸入信號(hào)本身疊加了一個(gè)與地彈噪聲相同的噪聲。

 

b、PDN

 

電路板設(shè)計(jì)中，都有電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用就是給系統(tǒng)內(nèi)所有器件或芯片提供足夠的電源，并滿足系統(tǒng)對(duì)電源穩(wěn)定性的要求。

 

我們看到電源、GND網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)分布著阻抗。

 

 

電源噪聲余量計(jì)算：

 

1、芯片的datasheet會(huì)給一個(gè)規(guī)范值，通常是5%；要考慮到穩(wěn)壓芯片直流輸出誤差，一般是+/_2.5%，因此電源噪聲峰值幅度不超過+/_2.5%。

 

2、如芯片的工作電壓范圍是3.13~3.47，穩(wěn)壓芯片標(biāo)出輸出電壓是3.3V，安裝在電路板后的輸出電壓是3.36V。容許的電壓的變化范圍是3.47-3.36=110mv。穩(wěn)壓芯片輸出精度是+/_1%，及3.36* +/_1%=+/_33.6mv。電源噪聲余量為110-33.6=76.4mv。

 

計(jì)算電源噪聲要注意五點(diǎn)

 

（1）穩(wěn)壓芯片的輸出的精確值是多少。

 

（2）工作環(huán)境的是否是穩(wěn)壓芯片所推薦的環(huán)境。

 

（3）負(fù)載情況是怎么樣，這對(duì)穩(wěn)壓芯片輸出也有影響。

 

（4）電源噪聲最終會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量。而信號(hào)上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射竄擾等信號(hào)完整性問題也會(huì)在信號(hào)上疊加，因此不能把所有噪聲余量留給電源系統(tǒng)。

 

（5）不同的電壓等級(jí)對(duì)電源噪聲要求也不樣，電壓越小噪聲余量越小。模擬電路對(duì)電源要求更高。

 

電源噪聲來源

 

（1）穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不是恒定的，會(huì)有一定的紋波。

 

（2）穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源響應(yīng)的頻率一般在200Khz以內(nèi)，能做正確的響應(yīng)，超過了這個(gè)頻率則在電源的輸出短引腳處出現(xiàn)電壓跌落。

 

（3）負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗產(chǎn)生的壓降。

 

（4）外部的干擾。

 

電源/地噪聲 

 

當(dāng)信號(hào)狀態(tài)快速改變時(shí)，在電源和地上會(huì)產(chǎn)生 紋波電流。由于電源和地上的電感的存在，信號(hào)突 變產(chǎn)生的尖峰電流將使電源和地上出現(xiàn)電壓的波 動(dòng)。系統(tǒng)幾十甚至上百個(gè)信號(hào)同時(shí)發(fā)生狀態(tài)改變時(shí)， 有可能造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作。由于電源/地噪聲的復(fù)雜 性，有時(shí)單獨(dú)作為電源完整性（Power Integrity）來 研究。 

 

歷史參考文檔：

 

電源完整性與地彈噪聲的高速PCB仿真

電源完整性測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)?nèi)容

電源完整性設(shè)計(jì)

電源完整性設(shè)計(jì)2

電源完整性設(shè)計(jì)3

高速數(shù)字電路“接地”要點(diǎn)

電源完整性——理解與設(shè)計(jì)

 

時(shí)序問題 

 

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的提取通常是由時(shí)鐘信號(hào)的上升沿 或下降沿觸發(fā)，按照一定的節(jié)拍進(jìn)行，數(shù)據(jù)應(yīng)該及 時(shí)到達(dá)接收端并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。數(shù)據(jù)的超時(shí)延時(shí)和數(shù)據(jù) 的信號(hào)畸變都會(huì)造成數(shù)據(jù)的讀取錯(cuò)誤。接收端信號(hào) 由于出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象，部分進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)， 會(huì)使數(shù)據(jù)不能被可靠地提取，造成誤碼問題。

 

時(shí)序分析基本概念

 

傳輸時(shí)間：傳輸時(shí)間是指信號(hào)在傳輸線上的傳播延時(shí)，與線長(zhǎng)和信號(hào)傳播速度有關(guān)。通常我們認(rèn)為信號(hào)在傳輸線的傳輸速度為6000mil/ns，可以根據(jù)信號(hào)傳輸線的長(zhǎng)度得出傳輸時(shí)間。

 

飛行時(shí)間（Flight Time）：指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩?，并達(dá)到一定的電平之間的延時(shí)，和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。

 

Tco：Tco是指器件的輸入時(shí)鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號(hào)有效的時(shí)間差，這是信號(hào)在器件內(nèi)部的所有延遲總和。

 

建立時(shí)間：指的是接收端能夠正確地鎖存數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘邊沿來導(dǎo)之前應(yīng)該保持穩(wěn)定的最小時(shí)間，它表示數(shù)據(jù)有效必須先于時(shí)鐘有效的最小時(shí)間。

 

保持時(shí)間：為了成功的鎖存一個(gè)信號(hào)到接收端，器件必須要求數(shù)據(jù)信號(hào)在被時(shí)鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個(gè)最小的時(shí)間就是我們說的保持時(shí)間。

 

時(shí)鐘抖動(dòng)（Jitter）：時(shí)鐘抖動(dòng)是指時(shí)鐘觸發(fā)沿的隨機(jī)誤差，時(shí)鐘抖動(dòng)通常指時(shí)鐘周期在周期與周期之間的變化。這個(gè)誤差是由時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和后期布線沒有關(guān)系。

 

時(shí)鐘偏移（Skew）：是指由同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生的多個(gè)子時(shí)鐘信號(hào)之間的延時(shí)差異。

 

采樣窗口：指我們通過示波器觀察到的信號(hào)的波形。

 

同步時(shí)鐘系統(tǒng) 時(shí)序設(shè)計(jì)——DDR為例

 

 DDR布線在PCB設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位，設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就是要保證系統(tǒng)有充足的時(shí)序裕量。要保證系統(tǒng)的時(shí)序，線長(zhǎng)匹配又是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。我們來回顧一下，DDR布線，線長(zhǎng)匹配的基本原則是：地址，控制/命令信號(hào)與時(shí)鐘做等長(zhǎng)。數(shù)據(jù)信號(hào)與DQS做等長(zhǎng)。為啥要做等長(zhǎng)？大家會(huì)說是要讓同組信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收端，好讓接收芯片能夠同時(shí)處理這些信號(hào)。那么，時(shí)鐘信號(hào)和地址同時(shí)到達(dá)接收端，波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系是什么樣的呢？我們通過仿真來看一下具體波形。

 

建立如下通道，分別模擬DDR3的地址信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)。

 

圖1 地址/時(shí)鐘仿真示意圖

 

為方便計(jì)算，我們假設(shè)DDR的時(shí)鐘頻率為500MHz，這樣對(duì)應(yīng)的地址信號(hào)的速率就應(yīng)該是500Mbps，這里大家應(yīng)該明白，雖然DDR是雙倍速率，但對(duì)于地址/控制信號(hào)來說，依然是單倍速率的。下面來看看波形，在地址與時(shí)鐘完全等長(zhǎng)的情況下，地址與數(shù)據(jù)端的接收波形如下圖2，紅色代表地址信號(hào)，綠色代表時(shí)鐘信號(hào)。

 

圖2 時(shí)鐘信號(hào)與地址信號(hào)波形

 

上面的波形我們似乎看不出時(shí)鐘與地址之間的時(shí)序關(guān)系是什么樣的，我們把它放在一個(gè)眼圖中，時(shí)序關(guān)系就很明確了。這里粗略的計(jì)算下建立時(shí)間與保持時(shí)間。如下圖

 

圖3 時(shí)鐘信號(hào)與地址信號(hào)波形

 

由上圖3.我們可以知道，該地址信號(hào)的建立時(shí)間大約為891ps，保持時(shí)間為881ps。這是在時(shí)鐘與地址信號(hào)完全等長(zhǎng)情況下的波形。如果地址與時(shí)鐘不等長(zhǎng)，信號(hào)又是什么樣的呢？仿真中，我們讓地址線比時(shí)鐘線慢200ps，得到的與眼圖如下：

 

圖4 時(shí)鐘信號(hào)與地址信號(hào)波形

 

由上圖可知，在地址信號(hào)比時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)的情況下，保持時(shí)間為684ps，建立越為1.1ns。可見，相對(duì)于地址線與時(shí)鐘線等長(zhǎng)來說，地址線比時(shí)鐘線長(zhǎng)會(huì)使地址信號(hào)的建立時(shí)間更短。同理，如果時(shí)鐘線比地址線長(zhǎng)，則建立時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，而保持時(shí)間會(huì)變短。那么雙倍速率的數(shù)據(jù)信號(hào)又是怎樣的？下面通過具體的仿真實(shí)例來看一下。

 

圖5 DQ 與 DQS仿真示意

 

仿真通道如上圖所示，驅(qū)動(dòng)端和接收端為某芯片公司的IBIS模型，仿真波形如下：

 

圖6 DQ與DQS仿真波形

 

我們將DQS和DQ信號(hào)同時(shí)生成眼圖，在一個(gè)窗口下觀測(cè)，結(jié)果如下：

 

圖7 DQ與DQS眼圖

 

如上圖所示，大家可能發(fā)現(xiàn)了，如果按照原始對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)信號(hào)的邊沿和時(shí)鐘信號(hào)的邊沿是對(duì)齊的，如果是這樣，時(shí)鐘信號(hào)怎樣完成對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣呢？實(shí)際上并不是這樣的。以上仿真只是簡(jiǎn)單的將兩波形放在了一起，因?yàn)镈Q和DQS的傳輸通道長(zhǎng)度是一樣的，所以他們的邊沿是對(duì)齊的。實(shí)際工作的時(shí)候，主控芯片會(huì)有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制。一般數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)比DQS提前四分之一周期被釋放出來，實(shí)際上，在顆粒端接收到的波形對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)該是這樣的：

 

圖8 平移后的眼圖

 

通過主控芯片的調(diào)節(jié)之后，DQS的邊沿就和DQ信號(hào)位的中心對(duì)齊了，這樣就能保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)浇邮斩擞凶銐虻慕r(shí)間與保持時(shí)間。和上面分析時(shí)鐘與地址信號(hào)一樣，如果DQ與DQS之間等長(zhǎng)做的不好，DQS的時(shí)鐘邊沿就不會(huì)保持在DQ的中間位置，這樣建立時(shí)間或者保持時(shí)間的裕量就會(huì)變小。先簡(jiǎn)單的來看一張圖

 

圖9 延時(shí)偏差對(duì)時(shí)序的影響

 

上圖中，T_vb與T_va表示的是主控芯片在輸出數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間的時(shí)序參數(shù)。在理想情況下，時(shí)鐘邊沿和數(shù)據(jù)電平的中心是對(duì)齊的，由于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸通道不等長(zhǎng)，使得時(shí)鐘邊沿沒有和數(shù)據(jù)脈沖的中間位置對(duì)其，使得建立時(shí)間的裕量變小。在理解了這些基礎(chǔ)問題之后，我們需要做的就是將這些時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)化為線長(zhǎng)。

 

下面我們通過具體實(shí)例來看看時(shí)序的計(jì)算，下圖是Freescale MPC8572 DDR主控芯片手冊(cè)，這張圖片定義了從芯片出來的時(shí)候，DQS與DQ之間的相位關(guān)系。

 

圖10 MPC8572時(shí)序圖

 

圖11 MPC8572時(shí)序參數(shù)

 

顆粒端為美光DDR，該芯片的時(shí)序圖以及時(shí)序參數(shù)如下圖所示，這張圖片則定義了顆粒端芯片識(shí)別信號(hào)所需要的建立時(shí)間與保持時(shí)間。

 

圖12 DDR顆粒時(shí)序圖以及時(shí)序參數(shù)

 

我們用T_pcbskew來表示DQ與DQS之間的延時(shí)偏差，如果想要得到足夠的時(shí)序裕量，則延時(shí)偏差要滿足以下關(guān)系：

 

T_pcbskew《T_vb-T_setup

 

T_pcbskew》T_hold-T_va

 

代入數(shù)據(jù)，有：

 

T_vb-T_setup=375-215=160ps

 

T_hold-T_va=-160ps

 

這樣，如果傳輸線的速度按照6mil/ps來計(jì)算，T_pcbskew為+/-960mil。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)裕量很大，當(dāng)然這只是最理想情況，沒有考慮時(shí)鐘抖動(dòng)以及數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)，以及串?dāng)_、碼間干擾帶來的影響，如果把這些因素都考慮進(jìn)來，留給我們布線偏差的裕量就比較小了。

 

綜上所述，時(shí)序控制的目的就是要保證數(shù)據(jù)在接收端有充足的建立時(shí)間與保持時(shí)間

 

眼圖

 

眼圖(EYE Diagram)介紹

    

所謂眼圖簡(jiǎn)單的說就是把一連串接收端接收到的脈沖信號(hào)(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同時(shí)疊加在高速示波器上以形成眼圖，如下圖所示：  

 

圖1

    

若在眼圖中加入一個(gè)多邊形以標(biāo)識(shí)信號(hào)真正存在的區(qū)域，即所謂的眼圖模板測(cè)試(Eye Mask)。因?yàn)檠蹐D模板測(cè)試可在一次量測(cè)中，計(jì)算出測(cè)試信號(hào)波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、噪聲與抖動(dòng)(Jitter)等，形成一套系統(tǒng)化的測(cè)量方法，因此眼圖已被多個(gè)協(xié)會(huì)(SATA, SAS, PCIE, USB, Ethernet等幾乎所有的高速總線協(xié)會(huì))采用來規(guī)范各種通信互連系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目。

 

圖 2

    

眼圖的特性是累加了一連串的脈沖時(shí)序，因此它具有測(cè)量信號(hào)重復(fù)性的作用。圖1的眼圖可以呈現(xiàn)許多信息；假如整個(gè)互連通信系統(tǒng)無任何噪聲時(shí)，眼圖上的軌跡應(yīng)為同一條直線。當(dāng)噪聲越大時(shí)，信號(hào)變動(dòng)程度也越大，在垂直方向之疊合軌跡也越粗，誤碼率也將增加。如下圖所示：

 

圖3

    

眼圖的水平方向?yàn)闀r(shí)間軸，代表信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，抖動(dòng)將造成水平方向上軌跡變粗。眼圖的左右邊沿可以測(cè)量出信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。眼圖形狀類似于眼睛，當(dāng)眼睛張的越大時(shí)，傳輸質(zhì)量越佳?；旧先粞蹐D的形狀呈現(xiàn)【瞇瞇眼】形狀時(shí)，表示信號(hào)質(zhì)量極非常差。如下圖所示：

 

圖4

 

在信號(hào)量測(cè)中，眼圖的形成正如上所述：由多個(gè)差分信號(hào)運(yùn)算所累加而成。以SATA為例，其原理大致如下：

    

首先SATA 的信號(hào)pin角，大致上可分為TX+、TX-、RX+與RX-；由于SATA、SAS、PCI Express這類總線都是以差分信號(hào)來取代傳統(tǒng)的單端信號(hào)傳輸，TX 為發(fā)送端，RX為接收端，而+、-則為差分的成對(duì)信號(hào)。參考圖5(A)與圖5(B)的信號(hào)波形圖（以TX 為例），當(dāng)信號(hào)傳遞時(shí)，即使因外界的噪聲干擾，也不用擔(dān)心信號(hào)會(huì)有誤判的情形發(fā)生，因?yàn)椴罘中盘?hào)的傳輸機(jī)制會(huì)將TX+與TX-作相減的運(yùn)算，如圖5(C)所示，如果有噪聲，也不會(huì)傳遞到芯片內(nèi)部，這樣就不會(huì)影響到正常的信號(hào)傳遞，從而提高噪聲容忍度。

 

圖5

    

而示波器在測(cè)量眼圖信號(hào)時(shí)，透過自觸發(fā)點(diǎn)之后，將TX+ - TX-的信號(hào)累加至示波器上,如下圖所示，即獲得了眼圖。

 

圖 6

    

很多人在稱贊美女的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)用【明眸皓齒】、【蜂腰美人】或【水蛇腰】來形容。其實(shí)在評(píng)判眼圖的質(zhì)量時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也蠻適用的。這其實(shí)就可以當(dāng)作檢查眼圖是否完美的兩個(gè)重要準(zhǔn)則：

 

    ■【明眸皓齒】：眼睛要大，如果配合上有眼圖模板的話，那么以眼圖模板當(dāng)作瞳孔，則眼白（Margin）就必須要夠多。

 

    ■【蜂腰美人】：如圖7紅綠色圓圈中交叉的部分，必須要越小越好，最好是一個(gè)點(diǎn)，就像蜂腰美人一樣，比較瘦小，因?yàn)檫@里代表的是抖動(dòng)，如果太大就會(huì)造成誤碼率增加。抖動(dòng)越小則代表信號(hào)質(zhì)量越好，發(fā)生誤碼的機(jī)率越低。

 

圖 7

    

前面講到了眼圖模板，眼圖的測(cè)試主要是用來檢測(cè)高速串行傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量，不論是SATA、PCI Express還是USB，標(biāo)準(zhǔn)都有提供眼圖模板的標(biāo)準(zhǔn)給工程師作為眼圖的測(cè)量準(zhǔn)則。如圖8所示，是USB2.0 TX的眼圖模板，所謂的眼圖模板主要是用在判斷眼圖是否符合規(guī)范的要求，圖8中ABCDEF6點(diǎn)所圍成的六邊形紅色區(qū)域以及GH以上、IJ一下區(qū)域代表所謂的【禁止區(qū)域】,如果眼圖有任何信號(hào)波形位進(jìn)入這些紅色區(qū)域，則表示信號(hào)傳輸不滿足協(xié)議規(guī)范的要求(如圖9綠色圓圈處)。

 

圖 8

 

圖 9

 

眼圖的判斷

    

以上說了那么多，現(xiàn)在就來看看眼圖到底如何來判斷。

    

首先，看是否【明眸】。眼圖是否夠大？是否有進(jìn)入內(nèi)模板？是否有超過上下限。    

    

其次，看是都【蜂腰】。眼圖交叉點(diǎn)的部分，是否達(dá)到夠細(xì)？是否達(dá)到最小協(xié)議規(guī)范中抖動(dòng)的要求？

    

以上兩點(diǎn)需要同時(shí)滿足，才能說明眼圖符合設(shè)計(jì)要求。

 

歷史參考文檔：

 

薛定諤貓 與  建立保持時(shí)間

為什么會(huì)有建立時(shí)間（Setup Time）和保持時(shí)間（Hold Time）？

亞穩(wěn)態(tài)概述

亞穩(wěn)態(tài)分析

 

 

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)方法 

 

嚴(yán)格控制關(guān)鍵信號(hào)的 PCB 走線長(zhǎng)度

        

信號(hào)完整性問題主要是 PCB 走線過長(zhǎng)造成的。 如果在設(shè)計(jì)前期，我們能夠找出關(guān)鍵信號(hào)，并對(duì)走線長(zhǎng)度進(jìn)行控制，就可以有效地抑制信號(hào)反射，保證信號(hào)質(zhì)量。所以我們需要研究器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)， 確定信號(hào)最快上升與下降時(shí)間，估算臨界走線長(zhǎng)度， 對(duì)于時(shí)鐘、高速數(shù)據(jù)流信號(hào)尤其要注意長(zhǎng)度控制。

 

高速信號(hào) PCB布線技巧

 

三種特殊走線技巧

 

合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 

 

走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根走線的布線順序及布 線結(jié)構(gòu)，如菊花鏈和星形分布等。同時(shí)，需要采用 合適的匹配方式，如源端匹配、終端匹配等。我們 需要了解電路的設(shè)計(jì)原理，驅(qū)動(dòng)順序與信號(hào)本身特 點(diǎn)，采用合適的拓?fù)渑c匹配方式。
 

高速信號(hào)走線規(guī)則

 

有效控制 PCB 特征阻抗 

 

在多層線路板中，信號(hào)完整性性能良好的關(guān)鍵 是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。目標(biāo)是 使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在 25 歐姆和 70 歐姆之間。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，就需要對(duì) PCB 走線特征阻抗進(jìn)行計(jì)算，確定合理的走線寬度與其 它設(shè)計(jì)參數(shù)；在 PCB 加工時(shí)，表明阻抗要求；PCB 加工后，需要采用儀器對(duì)特征阻抗進(jìn)行驗(yàn)證。
 

阻抗不匹配，信號(hào)反射疊加的過程

 

阻抗控制的走線細(xì)節(jié)舉例

 

特征阻抗那點(diǎn)事

 

設(shè)計(jì)仿真技術(shù) 

 

在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，采用軟件進(jìn)行仿真。在系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)模塊布置進(jìn)行仿真；在單板布局時(shí)， 可以進(jìn)行前仿真，確定器件布局；在走線時(shí)，進(jìn)行 后仿真，保證走線質(zhì)量。通過仿真，事先可以預(yù)測(cè) 到信號(hào)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)策略，預(yù)先預(yù)防， 而不是事后補(bǔ)救。 

 

其它可采用技術(shù) 

 

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要從電路設(shè)計(jì)、布局、布線、電源系統(tǒng)等方面進(jìn)行考慮。如在電路設(shè)計(jì)時(shí)，合理選 擇驅(qū)動(dòng)器件，盡量采用同步設(shè)計(jì)，避免異步設(shè)計(jì)， 高速信號(hào)采用差分信號(hào)，為集成電路芯片添加去耦 電容；布局時(shí)，注意數(shù)字與模擬信號(hào)分開，合理設(shè) 計(jì)單板的疊層，器件按照速度合理布局；布線時(shí)，注意少打過孔，布線遵循 3W 原則；電源設(shè)計(jì)時(shí)， 注意低阻抗連接，層疊遵循 20H 原則等。

3W原則

 

布局基本要領(lǐng)

 

高速信號(hào) PCB布線技巧

 

 

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