信号完整性（SI）电源完整性（PI）学习笔记（十四）有损线、上升边退化与材料特性（一）
有损线、上升边退化与材料特性（一）
1.**保持时间：hold time：**在时钟事件发生之后，数据信号应持续稳定的最短时间；
**建立时间：setup time：**在时钟事件发生前数据信号应保持稳定的最短时间。
2.（1）由传输线损耗引起的上升边退化是引起符号间干扰（ISI）和眼图塌陷的根源；
（2）时钟频率高于1GHz且传输长度超过10in的信号，传输线损耗是首要的信号完整性问题；
（3）在频域中分析与频率相关的损耗是最简单的，实际上由损耗线产生的问题具有很明显的时域特性，所以最终在时域分析总的响应。
3.当信号沿着实际有损传输线传播时，高频分量的幅度减小，而低频分量的幅度保持不变。由于这种选择性的衰减，信号的带宽降低。随着信号带宽降低，信号的上升边会增长。正是这种与频率相关的损耗使得上升边退化。
4.单个位的实际电平准确值取决于之前的位模式，这就被称为符号间干扰（ISI）与频率相关的损耗和上升边退化引起的重要后果就是符号间干扰；
位模式的精确波形取决于它之前已经走过的那些位。这就极大影响了接收机区分信号高低电平的能力，从而加大了错误率。
5.信号到达开关阈值电平的时间取决于先前数据的模式，这类符号间干扰是引起抖动的一个主要因素。如果上升边相对于位周期很短，就不存在符号间干扰。
6.（1）接收机中，一个刻画高速链路信号质量的常用变量手段就是眼图。伪随机位流模式可以代表所有可能的位流模式。选用时钟参考作为触发点，就可以进行仿真或测量。从位流中取出接收到的每一周期去覆盖前一个接收到的周期。这样许许多多的周期将被叠加在一起，这组叠加的波形看起来像睁开的眼睛，因此称为眼图。
（2）眼图的闭合量是对误码率（BER）的度量，所谓的有效位1或0是指：在规定的建立和保持时间段内，测量所接收的信号电压电平，对位1的要求是高于对高电平的最低要求，对位0的要求则是低于对低电平的最高要求。这样就从垂直和水平两个方面定义了有效信号。我们称这些界限为可接收的掩膜。
（3）两个眼睛之间交叉重叠区的水平宽度是对抖动的度量。眼睛开度的塌陷是由频率相关的损耗直接引起的，它是对符号间干扰的间接度量。
7.传输线的一阶近似模型是n节LC模型，通常称为无损耗模型，它考虑了传输线的两个重要特征：特性阻抗与时延，但是没考虑信号传播时的电压损耗。
当信号沿着传输线传播时，接收端有如下五种能量损耗方式（损耗不能称之为衰减）：
(1)辐射损耗；
(2)耦合到相邻走线；
(3)阻抗不匹配；
(4)导线损耗；
(5)介质损耗；
每一种机制都会影响或降低接收到的信号，解决问题的最快途径是首先确定问题的根源。
8.阻抗突变传输线信号的失真有着极大的影响，它直接引起接收信号上升边的退化。即使是无损耗线，阻抗突变也会引起上升边的退化，在设计高速互联时要将突变最小化。传输线、过孔和连接器的准确模型对于准确的预估信号质量非常重要。
9.如果上升边退化是由于少了信号的高频分量，那么高频分量到哪里去了？（容性突变和感性突变并不吸收能量）。
高频分量被反射到源端，最终由各个端接电阻器或源端驱动器内阻吸收消耗了。
10.导线损耗是指信号路径和返回路径导线上的能量损耗，本质上它是由导线的串联电阻引起的。介质损耗是指介质中的能量损耗，它是由材料的特性（材料的耗散因子）引起的。
（1）通常，FR4上的线宽为8mil且特性阻抗为50Ω的传输线，其频率高于1GHz介质损耗比导线损耗大得多；
（2）在考虑传输线的衰减时，不考虑由于耦合造成的能量损耗，也不考虑由于反射造成的能量损耗，在分析相邻通道之间的串扰，以及传输线阻抗不连续而影响信号质量时，已经包含了这些过程。这里的衰减是一种新的独立机制。
11.损耗源：导线电阻与趋肤效应
（1）由于趋肤效应的影响，电流在高频时将重新分布；
（2）电流的分布取决于电流总是寻求最小阻抗路径，即频率更高时，寻找回路电感最低的路径，这种体现为两种趋势：导线中的电流都尽可能的展开，以使导线的自感最小；同时导线中的反向电流尽可能接近，以使这两个电流之间的互感最大；
（3）显然，对于信号的所有重要频率分量，多数PCB互联中的电流分布总是受限于集肤深度。对于大于10MHz的频率分量，电阻与频率有关。
（4）信号感受到的电阻取决于导线传输电流的有效横截面。频率越高，电流流经的导线横截面就越小，电阻随着频率的升高而增加。与频率有关的趋肤效应应使电阻值随频率变化。所变化的是电流流过的横截面。
12.趋肤效应是由电流流经最低阻抗路径的要求促成的，而在高频中，路径的阻抗主要由回路电感决定。这种机理也驱使电流在返回路径中重新分布，并随频率而变化。
13.传输线中的导线串联电阻随着频率的升高而增加。
14.损耗源：（介质）
若施加正弦电压V=V0sin（wt）则通过电容器的电流为余弦波，此电流由电容和频率决定。
理想电容器不消耗能量，流经的电流与正弦电压之间正好有90°的相差。
当理想电容器中填充理想的无损耗介质时，流经的电流将增加，其比例系数等于相对介电常数。由于电流与电压相差90°，所以材料不消耗人任何能量，也就没有介质损耗。
15.当电容器两极平面之间填充实际材料并施加直流电压时，将有直流电流通过。我们称之为漏电流。
可以用理想电容器作为它的模型。流过这个电阻的总的漏电流为：
漏电流是流过电阻器的，所以必然与电压相位一致。
大多数材料的体漏电阻率与频率有关，频率越高，电阻率就越小，这与漏电流的起因有关。
16.有两种流过介质的漏电流方式
（1）第一种方式是离子运动，这是直流电流的主导机理；
（2）第二种方式是材料中的永久性电偶极子重取向。
17.偶极子的移动距离的历时都非常短。偶极子也就像正弦曲线那样正弦曲线那样旋转，这一运动产生交流电流。正弦波频率越高，电荷左右旋转越快，电流就越大。电流越大，在这一频率的体电率也就越低，从而材料的电阻率随着频率的升高而降低。
18.大多数介质的性能是这样的：从直流到某一转折频率，其电导率是个常数，从这一瓶率起，电导率就与频率成正比。开始持续越高。
频率升高时，漏电阻下降使消耗的功率升高并引起介质发热。
19.偶极子的旋转将电能转化为机械能，偶极子与相邻偶极子及其聚合物全链之间的摩擦引起的材料发热，总是非常轻微的。
20.在传输线中，介质的偶极子吸收信号的能量而引起信号在远端衰减，这些能量并不能使衬底变得很热，但它足以引起上升边退化。频率越高，交流漏电导率越高，介质中的功率损耗也就越高。
