信号完整性中的趋肤效应

电流在导线中并非均匀分布。电流分布受导线阻抗的影响，同时也会对导线的电感产生作用。

  • 电流通过实心铜导线时产生外部和内部磁力线圈。这两种磁力线圈都会影响导体的自感，但外部磁力线不经过导线，不会随频率变化，内部磁力线穿过金属内部受金属影响。离中心越近磁力线圈越密集（分布可由毕奥-萨伐尔定律求解），自感越大，阻抗越大，导致导线内部电流分布不均匀，而会随电流信号频率变化。

  • 任何频率的信号都是沿着最低阻抗路径传播的。随着信号频率升高，高电感区域阻抗更大，信号自动选择电感较低的路径。对于圆柱体导线，高频电流信号会趋于在外表面流动，这种现象就是电学中信号的趋肤效应。

  • 趋肤深度是由信号频率、导体磁导率和电导率决定的，计算公式如下

    d=1σπμ0μrf(1)d=\sqrt{\frac{1}{\sigma\pi\mu_0\mu_rf}}\tag{1}

    dd为趋肤深度，单位m；σ\sigma为金属电导率，单位S/m；μ0\mu_0为真空磁导率4π×1074\pi\times 10^7 H/m；μ0\mu_0为相对磁导率；ff为信号频率，单位Hz。

  • 同一段导线，在直流和高频时电阻不同。直流时RDC=ρwtR_\mathrm{DC}=\frac{\rho}{wt}，ww是导线宽度，tt是导线厚度；高频时RAC=ρwdR_\mathrm{AC}=\frac{\rho}{wd}，dd是趋肤深度。因此低频时回路自感大，高频时回路电感降低并趋于稳定。

  • 光学里也有趋肤现象。电学中的趋肤现象本质和光学中的表面等离激元是一码事，都是因为高频电磁波造成电子集群震荡。由于波导和空气接触面的介质不连续，但又必须满足电位移矢量的连续性（边界条件），故而导致自由电荷需要集中分布在交界面处，从而影响波导阻抗特性的现象。

信号完整性中的眼图

数字信号的眼图中包含了丰富的信息，可以体现数字信号的整体特征，评估数字信号的质量，分析眼图是检测数字系统信号完整性的重要步骤之一。

  • 由于示波器的余晖作用，可以将扫描所得的每一个码元波形重叠到一起（将信号按单位时间间隔截取并叠加到一起），便形成了眼图。眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，估计系统优劣，因此眼图分析是高速互联系统信号完整性分析的核心。

  • 眼图的衡量标准，包括眼高、眼宽、抖动、占空比等。眼宽水平方向越宽，码间干扰越小；眼高垂直方向越高，信号抗干扰能力越强，码间串扰越小；上升沿下降区域沿体现了信号的占空比和抖动。

    EyeDiagram

    数字电路中，发送端发送多个比特的数据，由于各种不确定因素的影响，接收端可能会收到一些错误的比特（误码）。错误的比特数与总体比特数的比值称为误码率BER（Bit Error Ratio）