中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识张士贤编写

中兴通讯上海第一研究所

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

前

言

近年来，通讯技术、计算机技术的发展越来越快，高速数字电路在设计中的运用越来 越多，数字接入设备的交换能力已从百兆、千兆发展到几十千兆。高速数字电路设计对信 号完整性技术的需求越来越迫切。 在中、 大规模电子系统的设计中， 系统地综合运用信号完整性技术可以带来很多好处， 如缩短研发周期、降低产品成本、降低研发成本、提高产品性能、提高产品可靠性。 数字电路在具有逻辑电路功能的同时，也具有丰富的模拟特性，电路设计工程师需要 通过精确测定、或估算各种噪声的幅度及其时域变化，将电路抗干扰能力精确分配给各种 噪声，经过精心设计和权衡，控制总噪声不超过电路的抗干扰能力，保证产品性能的可靠 实现。 为了满足中兴上研一所的科研需要， 我们在去年和今年关于信号完整性技术合作的基 础上，克服时间紧、任务重的困难，编写了这份硬件设计培训系列教材的“信号完整性” 部分。由于我们的经验和知识所限，这部分教材肯定有不完善之处，欢迎广大读者和专家 批评指正。 本教材的对象是所内硬件设计工程师， 针对我所的实际情况， 选编了第一章——导论、 第二章——数字电路工作原理、第三章——传输线理论、第四章——直流供电系统设计， 相信会给大家带来益处。同时，也希望通过我们的不懈努力能消除大家在信号完整性方面 的烦脑。 在编写本教材的过程中，得到了沙国海、张亚东、沈煜、何广敏、钟建兔、刘辉、曹 俊等的指导和帮助，尤其在审稿时提出了很多建设性的意见，在此一并致谢！

张士贤 2000 年 10 月 31 日

1

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

术语、符号和缩略语 术语 1.信号完整性(Signal Integrity) 信号完整性是指信号在信号线上的质量。 信号具有良好的信号完整性是指当在需要的 时候具有所必需达到的电压电平数值。 2.传输线(Transmission Line) 传输线是一个网络(导线) ,并且它的电流返回到地或电源。 3.特性阻抗(Characteristic Impedance) 组成信号传输回路的两个导体之间存在分布电感和分布电容，当信号沿该导体传输 时，信号的跃变电压(V)和跃变电流(I)的比值称为特性阻抗(Z0) ,即 Z0=V/I。 4.反射(Reflection) 反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负 载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生。 5.串扰(Crosstalk) 串扰是两条信号线之间的耦合。信号线之间的互感和互容引起

线上的噪声。容性耦合 引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。 6.过冲(Overshoot) 过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压。对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿 是指最低电压。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。 7.下冲(Undershoot) 下冲是指下一个谷值或峰值。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。 8.电路延迟 指信号在器件内传输所需的时间(Tpd) 。例如，TTL的电路延迟在3 ~ 20nS 范围。 9.边沿时间 器件输出状态从逻辑低电平跃变到高电平所需要的时间 (信号波形的 10~90%) 通常 ， 表示为上升沿(Tr) 。器件输出状态从逻辑高电平下降到低电平所需要的时间(信号波形 的 90~10%) ,通常表示为下降沿(Tf) 。 10.占空比偏斜 信号传输过程中， 从低电平到高电平的转换时间与从高电平到低电平的转换时间之间 的差别，称为占空比偏斜。TTL和CMOS信号的占空比偏斜问题较为突出，主要是因为其 输出的上升沿和下降沿延迟不同。 11.输出到输出偏斜 同一器件不同输出引脚之间的信号延迟差别，称为输出到输出偏斜。 12.器件到器件偏斜 由于制造工艺和使用环境的变化，造成的不同器件对应引脚之间的信号延迟差别，称 为器件到器件偏斜。通常，器件之间的偏差远大于其他类型的偏斜。 13.动态偏斜 主要是指由于温度变化、地或电源噪声造成阀值电平随时间漂移，从而产生信号延迟的变 化。

ZTE 中兴

2

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

符号和缩略语 VOH —— 输出高电平 VOL —— 输出低电平 VIH —— 输入高电平 VIL —— 输入低电平 VT —— 阀值电平 VOHMIN —— 输出高电平最小值 VOLMAX —— 输出低电平最大值 VIHMIN —— 输入高电平最小值 VILMAX —— 输入低电平最大值 IOL —— 输出低电平电流 —— 输出高电平电流 IOH

3

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

目录第 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 ........................................................................................... 81.3. 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 ...................................................................................................................... 121.4. 研究的目的 ........................................................................................................................... 13

1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4.

降低产品成本(略) .................................................................................................. 13 缩短研发周期，降低开发成本(略)....................................................................... 13 提高产品性能(略) .................................................................................................. 13 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) ............................................................................................................ 141.6. 研究手段 ............................................................................................................................... 14

1.6.1. 1.6.2. 1.6.3. 1.6.4.

物理实验验证(略) .................................................................................................. 14 数学模型计算(略) .................................................................................................. 14 软件模拟分析(略) .................................................................................................. 14 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；................................................................... 152.2. 基本结构和特点 ................................................................................................................... 17 TTL ............................................................................................................................................. 17

ZTE 中兴

4

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

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) .............................................................................................................. 182.3. 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 ............

...................................................................................... 242.4. 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) ................................................................................................................... 252.5. 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 ...................................................................................................... 323.3. 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 .............................................................................................................. 333.4. 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 .......................................................................................................................... 363.5. 反射和匹配 .................................................

.......................................................................... 37

3.5.1. 3.5.2. 3.5.3. 3.5.4.

反射系数 ...................................................................................................................... 37 反射的计算： .............................................................................................................. 38 传输线的临界长度 ...................................................................................................... 41 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 .................................................................................................................................... 453.8. 负载驱动方式 ....................................................................................................................... 45

3.8.1. 点对点 .......................................................................................................................... 45 串推 ............................................................................................................................................ 45

5

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

3.8.3. 星型 .............................................................................................................................. 46 扇型 ............................................................................................................................................ 463.9. 传输线损耗和信号质量 ....................................................................................................... 46

3.9.1. 3.9.2. 3.9.3. 3.9.4.

集肤效应 ...................................................................................................................... 46 邻近效应 ...................................................................................................................... 46 辐射损耗 .....................................................................................................................

. 47 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 ......................................................... 484.2. 设计目标 ............................................................................................................................... 48

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5.

为数字信号提供稳定的电压参考；........................................................................... 48 为逻辑电路提供低阻抗的接地连接；....................................................................... 48 为逻辑电路提供低阻抗的电源连接；....................................................................... 48 为电源和地提供低交流阻抗的通路；....................................................................... 48 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 .............................................................................. 514.5. 电流回路 ............................................................................................................................... 52

4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. 4.5.4. 4.6.1. 4.6.2. 4.6.3. 4.6.4. 4.6.5. 4.6.6. 4.6.7. 4.7.1. 4.7.2. 4.7.3. 4.7.4.

基本概念 ...................................................................................................................... 52 环路面积 ...................................................................................................................... 52 参考平面的开槽 .......................................................................................................... 53 连接器的隔离盘 .......................................................................................................... 53

去耦电容 ...................................................................................................................... 54 低频大容量去耦电容(BULK) ................................................................................ 55 高频去耦电容 .............................................................................................................. 56 多层片式陶瓷电容的材料选择 .................................................................................. 58 表面贴装电容的布局和布线 ...................................................................................... 58 多层印制板中的平面电容 .......................................................................................... 59 埋入式电容 .................................................................................................................. 59 系统电源变化 .............................................................................................................. 61 系统电源的电位差 ...................................................................................................... 61 系统逻辑地的电位差 .................................................................................................. 61 地电平抖动 .................................................................................................................. 61

4.6. 去耦电容极其应用 ............................................................................................................... 54

4.7. 噪声抑制 ............................................................................................................................... 61

ZTE 中兴

6

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

第1章

高速数字系统设计的信号完整性分析导论

1.1. 基本概念高速数字设计(High-Speed Digital Design)强调被动元件的特性及其对电路性能的影 响， 包括导线、印制电路板以及集成电路封装等等； 高速数字设计研究被动元件如何影响信号传输 (振铃和反射), 信号之间的相互作用 (串扰); 信号完整性 (Signal Integrity,以下简称 SI) 是指信号在信号线上的质量。 信号具有 良好的信号完整性是指当在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值； 信号完整性是保证系统稳定的基础，分析讨论系统信号完整性是非常必要的。

1.2. 理想的数字信号波形无论是哪一种数字集成电路，理想的数字信号是指器件厂家提供的输出高电平 (VOH)、低电平(VOL)、上升沿(tr)和下降沿(tf)等参数所描述的信号波形。

1.2.1. 理想的 TTL 数字信号波形下图所示为理想的 TTL(含 LVTTL)数字信号波形

V V OH VT

V OLtVOHmin=2.4V VOLmax=0.4V VT=1.5V±30mV(参考电平)

1.2.2. 理想的 CMOS 数字信号波形下图所示为理想的 CMOS 数字信号波形

V VOH VT VOL tVOHmin=4.44V VOLmax=0.5V VT=2.5

V (+5V 时) 7 ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

VOHmin=2.4V

VOLmax=0.4V

VT=1.5V (+3.3V 时)

1.2.3. 理想的 ECL 数字信号波形下图所示为理想的 ECL 数字信号波形

tV V VOH

BB

OL

vVOHmin=-0.96V VOLmax=-1.65V VBB=-1.29V±30mV(参考电平)

IC 在系统应用中不可能达到理想的程度， 由于受到多种因素的影响，信号波形会产 生各种变化， 但是这些变化的程度必须严格加以限制， 使之达到可以接受的程度。主

要有哪些方面的设计上的问题会造成影响或者变化， ,又有多大的变化，它们之间有什么 关系等都是值得讨论分析的。

1.3. 数字信号的畸变(或信号不完整)本节只讨论 TTL 信号发生的畸变，是因为从目前使用的情况来看， CMOS 电路的输 入、输出等外部接口电路已和 TTL 兼容，而 ECL 电路用得很少， 这里不加以讨论。 还 有一些其他数字电路， 如 LVDS、GTL、NMOS、PMOS 等， 本节也不加以讨论

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见下图，图中虚线为提高的情况。提高幅度与 IC 的功耗大小、IC 密度、馈电方式、

V

t地线电阻(R) 、馈电的地线总电流有关。 V 地= ΔI× R

1.3.2. 信号线电阻的电压降的影响a) IC 输出管脚经过印制导线或电缆到另一 IC 的输入脚， 输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个低电平的抬高，其值为 VOL=IOL×R 。 ZTE 中兴 见图中的上面一条虚线。 8

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

决定因素V

端接方式 端接电平 端接电阻大小 线宽 线厚 线长t

线截面积

显而易见，低电平的抬高与印制导线电阻值及输出低电平电流有关，如下图所示：

VOL A

R BIOL

B 点的低电平比 A 点的低电平高 注意:当 IC 输出脚为低电平时，如果此器件不是驱动器， 而是一般器件，则由于输出 低电平电流太大， 远大于器件手册给出的值，输出三极管将退出饱和区，进入工作区， 使输出低电平抬高很多。如下图中上面一条虚线所示:

V

t

决定因素：端接方式 端接电阻大小 输出管饱和深度 输出管 β 值 b) IC 输出管脚经过印制导线或电缆到另一个 IC 的输入脚，输出高电平电流在印制导 线或电缆电阻上引起一个高电平的降低，其值为 VOH=IOH× R,见下图中高电平上的下 面虚线：

9

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

V

τIOH 由下列因素决定：端接方式、端接电平、端接电阻大小 R 由下列因素决定：线宽、线厚、线长 显而易见，高电平的降低与印制导线或电缆电阻值及输出高电平电流有关，如下图所 示：

3 . 3V

V OH I OH A

R B

B 点的高电平比 A 点的高电平要低 注意: IC 输出脚为高电平时， 如果此器件不是驱动器，而是一般器

件， 则由于输 出高电平电流太大，远大于器件手册给出的值时，输出管也会退出饱和区，进入工作区， 使输出高电平降低很多。如下图中下面一条虚线所示：

V

决定因素 端接方式 端接电阻大小 输出管的饱和深度t

输出管的β值

1.3.3. 电源线电阻的电压降的影响IC 的电源电压(如+3.3V),如果系统中存在差值，当小于+3.3V 时， 输出高电平将产V

t

ZTE 中兴

10

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

生一个下降值， 如上图中高电平上的虚线所示: 由于系统电源有集中电源和分散的电源模块之分，此差值不同，由于 IC 功耗的大小、 IC 密度、馈电方式、电源线的馈电电阻值以及电源电流值，引起一个 = I× R) 以上原因，使 TTL 信号波形变得离理想波形很远了。 低电平大为提高了，高电平也 大为降低了。 对这些值若不严加控制， 对系统工作的稳定可靠工作是不利的。此外，结 温差， 即不同功耗的器件的 P-N 结的温度不同， 还会影响高低电平及门槛电平的变化也会 影响系统工作。 除上面所说的直流成分之外， 更为重要的是系统是以极高频率在工作， 也就是说， 系 统内的器件、导线有各种频率的， 各种转换速率的信号在动作、传递。 首先是相互之 VCC ( VCC

间的信号电磁藕合 (串扰) 和信号在不同特性阻抗传输路径上的反射， 以及电源， 地电 平由于 IC 高频转换引起电流尖峰电平，使 TTL 信号波形变得更坏。

1.3.4. 转换噪声由于系统工作时， 器件以高频转换， 造成供电系统上有高频率变化的电流尖峰， 而供电的电源线路和地线路都可看成是很小的电阻、电感、电容元件。电流尖峰值太大， 在它们上面会产生较大的交流尖峰电压，其电源上的尖峰电压基本上会串扰到高电平上， 而地电平上的尖峰电压会串扰到低电平上，如下图所示：IC 内部同样存在这种尖峰电压。

V

决定因素 IC集成度 IC同时同相翻转器的个数 IC密度 地电源线结构层数 滤波电容的性能密度

τ

1.3.5. 串扰噪声由于系统组装越来越密， 印制导线之间的距离越来越近，邻近导线上有高速转换的 电平信号。 如正跳变信号跳变的时间 tr 和负跳变的时间 tf 都很小，使得导线上已有信号 上叠加一个较大的电磁藕合信号(串扰信号)。如下图中较大的尖峰信号。这些信号还包括 插头座上的信号针之间的串扰信号以及电缆中信号之间的串扰。

11

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

V

τ决定因素：tr 与 tf 值、线宽、线间距、 (基材)介质的厚度、介质的介电常数、平行 线长、重叠线长、插头座信号针地针比、电缆信号线地线比。

1.3.6. 反射噪声如果 IC 之间的互连线比

较长 (复杂系统往往是这样) ,线的特性阻抗 又不均匀，或 者终端没有匹配，会引起反射，如果始端也不匹配， 则会来回 反射而造成振铃。 如下 图所示：

V

Vt

t决定因素：特性阻抗、匹配方式、失配大小 终端反射系数、始端反射系数、线长

1.3.7. 边沿畸变如果信号频率升高到一定程度，也就是器件工作频率达到一定的高度极限，而且印制 导线又较长或者负载电容较大时， tr ≥tw 上升时间等于或大于脉冲宽度，信号畸变到没 有高低电平平顶或者远离平顶。如下图所示(实线):

举例“仿真或示波器实测”均可验证。

ZTE 中兴

12

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

V

Vt

t决定因素：线宽、线长、基材介质厚度、介质介电常数、负载数、工作频率(脉宽)、 tr 数字信号的变化。讨论了上面七条，可见其畸变不容忽视。如果任其自流，不严加限制， 造出来的系统不可能稳定、可靠的工作。

1.4. 研究的目的在中、大规模电子系统的设计中，系统地运用信号完整性技术可以带来许多益处

1.4.1. 降低产品成本(略) 1.4.2. 缩短研发周期，降低开发成本(略) 1.4.3. 提高产品性能(略) 1.4.4. 提高产品可靠性数字电路在具有逻辑功能的同时，也具有丰富的模拟特性。 数字电路本身具有一定的抗干扰能力， 设计工程师可以估计或精确测定各种噪声的幅 度及其时域变化，将电路抗干扰能力精确分配给各种噪声，控制总噪声不超过电路的抗干 扰能力，以最小的综合成本达到最高的整体性能。

13

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

1.5. 研究领域 1.5.1. 各种电路工作原理(略) 1.5.2. 各种电路噪声容限(略) 1.5.3. 各种电路在系统中的噪声(略) 1.5.4. 系统各部件的频率特性(略) 1.5.5. 信号传输(略) 1.5.6. 信号延迟(略) 1.5.7. PCB 结构设计(略) 1.5.8. 电源分配设计(略) 1.5.9. 地、电源滤波(略) 1.5.10. 热设计(略) 1.6. 研究手段 1.6.1. 物理实验验证(略) 1.6.2. 数学模型计算(略) 1.6.3. 软件模拟分析(略) 1.6.4. 经验规则估计通常需要综合运用上述四种方法。

ZTE 中兴

14

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

第2章

数字电路工作原理

2.1. 数字电路分类 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； 2.1.2. 硅：使用极为广泛，处于不断发展中；2.1.2.1. 单极型：一个元件的电极上只有一种扩散类型，或者说只有一种半导体类型(N 或 P); 2.1.2.1.1. PMOS:P 型金属物半导体

-v-

p

N

p(硼扩散)

+ 5v

a

b

c

V-

f

地

f = a b c

15

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

2.1.2.1.2. NMOS:N 型金属氧化物半导体

V

+

+ 5V

VN N

+

磷扩散地

P

V0

f

a

b

c

f =a+b+c

2.1.2.1.3. CMOS 互补型金属

氧化物半导体

PMOS

NMOS

工作在直流为 0(只有漏电流 0.5μA 左右),所以功耗只有原来几千分之一，速度快、结 构简单，适合大规模集成(功耗因素、尺寸因素、工艺因素) 2.1.2.2. 双极型：一个元件的电极上有两种扩散类型，或者说有两种半导体类型(N 或 P) 2.1.2.2.1. TTL:速度快、功耗低，但输出管工作在饱和区，存储时间较长。 (STTL、LSTTL、ALSTTL、ASTTL、FTTL、LVTTL)以上为不断改进的器件类型。 2.1.2.2.2. ECL 高速度、高功耗、电流藕合型，电压摆幅小。 (ECLⅠ.Ⅱ.Ⅲ、ECL10K、ECL100K、ECL10H、ECL10E、ECL100E)改进型。

ZTE 中兴

16

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

2.2. 基本结构和特点 2.2.1. TTL

VCC

V1a

b c

V0

地

V0 = a b c结构如图示，速度快、功耗低于 ECL。工作电平： VOHMIN=2.4V VIHMIN=2V VOLMAX=0.4V VILMAX=0.8V VT=1.5V

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

VI

V0

工作电平： VOhmin =4.44V VIHMIN=3.5V VILMAX=1.5V

VOLMAX=0.5V VT=2.5V

2.2.3. LVDS:低电压数字系统

17

ZTE 中兴

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

A NMOS3.5mA

350mV

B

350mV

A

100

B

功耗小(驱动器功耗 1.2mW)摆幅小(350mV)速度快，不慢于 ECL,由于恒流源特性， 抗干扰能力特别强，差动传输可减少传输线数量，压缩(18→21)→4 对；

2.2.4. ECL(PECL)电路结构如下图：

Vcc

f

a

b

c

VBB

VEEf =a+b+c

f = a+b+c

ZTE 中兴

18

中兴通讯硬件一部巨作-信号完整性!

信号完整性基础知识

VOHmin=-0.96V VIHmin=-1.105V

VOLmax=-1.65V VILmax=-1.475V VBB=-1.29V

PECL(伪 ECL) EE 抬高到 VCC,VCC 抬高到正电压，达到与 TTL 共电源工作。此时各 ，V 工作电平同时抬高一个 VCC 值，如 VOHMIN=-0.96V+ VCC

2.3. 电路特性 2.3.1. 转换特性转换特性是指输出电平随输入电平变化的特性曲线。 2.3.1.1. TTL 电路的转换特性

VI2v VI V0

VT0.8v

0.2

0.4

2.4V

3V

V 0 (V )

TTL 电路的转换特性曲线如上图，两条虚线之间的区域为器件的工作区。从曲线可看出其 最坏情况就是边界点即 VOH 时为 2.4v,VOL 时为 0.4v,VIH 时为 2v,VIL 时为 0.8v,这四 个值非常重要，因为输出的边界值与输入的边界值之差(同极性时)为安全区即直流抗干 扰能力(NM) 2.3.1.2. CMOS 的转换特性: 曲线如下图：

V0 V0

5 4 .4

V1

2 .5 0 .5 1 .5 2 .5 3 .5 (v )

VI

两条曲线之间的区域为器件工作区，分析它的方法同上面的 TTL。可以看出，它与 TTL 的曲线差别很大，所以在与 TTL 互连时，应加以考虑，目前随着工艺的不断改进， 使 CMOS 的工作区接近 TTL, 或者器件外围电路直接用 TTL 的电路， 达到完全互连兼容。 19 ZTE 中兴

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8vh4.html