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高速数字系统设计年月日2011224课程章节第一章：基础知识第二章：传输线理论及应用第二章传输线理论及应用第三章：逻辑门电路的高速特性第四章：测量技术第五章：串扰与多层PCB板分层考虑第五章串扰与多层第六章：电源与地系统第七章：时钟技术2011/2/24中国科技大学快电子学安琪2第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3时间与距离1-4集总系统与分布系统1-5-3dB频率与上升时间1-6四种电抗高速数字系统中的电阻电容和电感元件1-7高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪31-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）信号：信号“信号”是一个使用非常广泛的名词。

从信息论的观点出发，信号是信息的一种物理体现，或者说：信号是信息的载体。

广义而言：信号被定义为一个随时间（和位置）变化的物理量。

模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号的幅度值可以取连续范围的任意数值。

简单地讲：是指时间和幅度均是连续的物理量。

数字信号：在时间和幅度上都量化后取得的信号。

它是以某种时间间隔依次在时间和幅度上都量化后取得的信号它是以某种时间间隔依次出现的数字序列。

简单地讲：是指时间和幅度均是离散的物理量。

A/D模拟信号数字信号D/A中国科大快电子学安琪4分析方法：时域和频域时域分析方法：时域分析方法用两维空间内的函数作为信号的数学模型，即时间用两维空间内的函数作为信号的数学模型即时间变量t和幅度变量f(t)（电压、电流或功率）。

X轴是时间变量，Y轴是表示物理量的幅度变量。

t －f(t)时域是真实存在的域，是可以实际感知的域。

中国科大快电子学安琪5频域分析方法所谓的频域分析，仍然用两维空间内的函数作为模拟信号的数学模型描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度采用频率变量（型，描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度。

采用频率变量（f ）代替时间变量（t ），幅度变量（电压、电流和功率: G(f)）是频率的函数。

X 轴是频率变量，Y 轴是表示物理量的幅度变量。

正弦波是频域中唯一存在的波形，其特征： 频率； 幅度； 相位中国科大快电子学安琪6时域-频域的关系dt e t f g t j ωω－∫∞∞−=)()(傅立叶变换时域频域)(t f 傅立叶反变换)(ωg ωωωd e g t f t j ∫∞∞−=)()(从频谱分析的角度上看时域中的任何信号从频谱分析的角度上看，时域中的任何信号, 都可以用若干个不同频率，不同幅度的正弦波信号叠加来表示。

∑=)()(V f g t i 中国科大快电子学安琪7时域与频域：例1中国科大快电子学安琪8时域与频域：例2中国科大快电子学安琪9时域与频域：例3中国科大快电子学安琪10一. 数字信号1. 理想的数字信号（二值函数）⎧≤≤−+101t t t 数学模型1：“0”电平“1”电平⎩⎨=0)(t V 其它时间理想数字信号波形–数学模型1t 0t 1数学模型2：⎪⎧≤≤−+030t t t ⎪⎪⎪⎪⎨≤≤−≤≤−=−+−+−+100213)(1)(t t t t t t t t t t t t t V r “0”电平“1”电平⎪⎩≤≤32(t t t f理想数字信号波形–数学模型2式中：t r =t 1-t 0,t f =t 3–t 2t 0t 1t 3t 2中国科大快电子学安琪11数学模型2－脉冲信号ECL/PECL信号的上升沿定义：20% ~ 80%；下降沿：80% ~ 20%中国科大快电子学安琪12理想方波的频谱理想方波理想方波：对应着数学模型1占空比为50％所有偶次谐波的幅度为傅0，只有奇次谐波。

谐波的幅度为A n ＝2/n π立叶变换1次谐波为基波:1/T 零次谐波就是直流分量 理想方波的频谱中的频率分量可以延伸到无穷远，即频宽无穷。

中国科大快电子学安琪13时域和频域中的理想方波有上升时间方波的频谱有限上升时间方波的频谱近似对应着数学模型2：奇偶次谐波均有1次谐波是基波零次谐波为直流分量频谱中的频率分量是有限的，即频带为有限宽。

中国科大快电子学安琪14两种模型的频谱比较模型1 模型2（理想方波）（有限上升时间）频带∞有限带宽1次谐波~ 0.64 ~ 0.633次谐波008~ 0.22 ~ 0.185次谐波~ 0.13 ~ 0.087次谐波~ 0.09 ~ 0.03有限上升时间的方波，其谐波分量的幅度比理想方波的对应分量下降的更快，有限带宽。

快方波的上升时间越大，其相应谐波分量的幅度下降越快，带宽越窄。

中国科大快电子学安琪15实的数字信号2. 实际的数字信号90%10%V H minV L maxV th 50%r f参数定义：上升时间（t r ）:数字信号上升沿中对应满幅度电压的10%~90%处的时间间隔。

间隔下降时间（t f ）:数字信号下降沿中对应满幅度电压的90%~10%处的时间间隔。

中国科大快电子学安琪16参数定义：90%V H min10%V L max V th50%r f上冲（Overshoot）上冲又被称为过冲。

顾名思义，它指的是沿着信号边沿的跳变方向，信号波形中超出稳定的“1”或“0”0状态电平的部分。

对于上升沿，这应是从“0”到“1”的跳变，在高电平处高于逻辑电平“1”稳定电压值的部分。

对于下降沿，这应是从“1”到“0”的跳变，在低电平处低于逻辑电平“0”电压稳定值的部分。

下冲（Undershoot）下冲又被称为反冲。

它指的是信号在过冲后，又沿着跳变方向的反方向，信号波形越过稳定的“1”或“0”状态电平的部分。

对于上升沿，即：从“0”到“1”的跳变，信号上冲后，反过来又低于逻辑电平“1”的稳定电压值的部分。

对于下降沿即从“到“的跳变信号过冲后反过来又逻辑电平“的电压稳定值的部分对于下降沿，即：从1”到0”的跳变，信号过冲后，反过来又高于逻辑电平0”的电压稳定值的部分。

振铃（Ring）信号发生连续多次的上冲和下冲，所形成的震荡。

一般其振幅应是一次比一次小，逐渐趋于零。

中国科大快电子学安琪1790%V H min10%V L maxV th 50%噪声容限：（Noise Margin ）r f噪声容限是量度逻辑电路在最坏工作条件下抗干扰能力的直流电压指标,它规定了数字电路在稳定状态时允许的最大噪声。

该参数定义为:最差输入逻辑电平值(V IH min 或V IL max )与在这种输入条件下所能保证的最差输出逻辑电平值(V OH min 或V OL max )之差,即:min min IH OH H V V NM −=maxmax OL IL L V V NM −=这里有两个噪声容限定义：NM H 表示高电平状态时的噪声容限, NM L 表示低电平状态时中国科大快电子学安琪18的噪声容限。

min min IH OH H V V NM V V NM −=−=低电平状态的噪声容限maxmax OL ILL 假定门#1A 点输出为低电平,这时有V A =V B 。

对于门#1，其最差状态为V OL max 。

对于门其最差状态为#2，其最差状态为V IL max 。

V IL max 是门#2的一个临界点。

V OL max 比V IL max 的电平更低。

时门开始翻转 V OL max +ΔV =V IL max 时：门#2开始翻转。

附加电压大小ΔV ,就构成了所谓的噪声容限。

MECL10K 系列典型门电路的噪声容限定义NMV V V V mvLIL OL =−=−−−=max max .(.)14751630155mvV V V V NMIH OH H125)105.1(98.0min min =−−−=−=中国科大快电子学安琪19占空比（Duty Cycle）：时钟信号在一个周期内的高低电平的时间宽度之比。

一般用百分比来表示。

如：50%：50%45%：55%tLOWtHighT占空比= t/T ×100%t中国科大快电子学安琪20实际方波信号的频谱红色：没有过冲和振铃的完美波形蓝色：有过冲和振铃的普遍波形蓝色1次谐波为基波零次谐波为直流分量有振铃方波的频谱明显高于没有振铃的方波频谱频谱在振铃频率处产生峰值，其幅值比没有振铃的要高很多中国科大快电子学安琪21二. 信号完整性从广义上讲，信号完整性指的是高速电子学系统在信号互连中引起的所有问题。

它主要研究信号互连媒介与信号的电压电流波形相互作用时，其电气特性参数如何影响系统的工作和性能。

信号完整性讨论是为了确保可信的高速数据传输。

在高速数字系统设计时，常会到样传输到信号否如所预期那样人们经常会问到这样的问题：传输到目的地的信号是否如同人们所预期的那样？或者说：当信号到达时是否处于良好的状态？信号完整性涉及到两个方面：电压、电流信号波形的完整性时序的完整性。

中国科大快电子学安琪22信号波形的完整性：经常提及的术语是上述的五个基本概念，这就是：信号的上升时间（t r）和下降时间（t f）；波形的上冲（Overshoot）；下冲（Undershoot）；振铃（Ring）；接收端的信号还存在多大的噪声容限（Noise Margin)。

接收端的信存在多大的声容中国科大快电子学安琪23时序的完整性时序完整性主要关注的是同步时序方程是否能满足。

经常涉及到是传输延迟时间，建立和保持时间时序偏差（Sk ）和抖动(Jitt )的概念建立和保持时间，时序偏差（Skew）和抖动(Jitter)，以及时间容限的概念。

jitter skew setup flight valid CLK CLK t t t T ++++≥(max)(max)1建立方程：jitterskew hold flight valid CLK CLK t t t ++≥+(max)(min)(min)保持方程：中国科大快电子学安琪24C C 建立方程jitterskew setup flight valid CLK CLK t t t T ++++≥(max)(max)1DriverReceiver A Receiver B 要考虑最远端接收电路的时序完整性，同步时序方程是否能满足。

中国科大快电子学安琪25t flight保持方程保持方程：jitter skew hold flight valid CLK CLK t t t ++≥+(max)(min)(min)要考虑最近端接收电路（t flight 0）的时序，同时驱动电路的传输延迟时间为最小，此时同步时序方程是否能满足。

中国科大快电子学安琪26时序偏差时序信号的理想沿变和实际上的沿变之差。

时序信号的理想“沿变”和实际上的“沿变”之差在实际系统中，造成时序信号的“沿变”与理想“沿变”存在着差别的个主要原因是因为逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着差差别的一个主要原因是因为逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着差别。