复习大纲(高速数字电路).docx

基本概念

SI ：系统时钟>100MHz 或TD

定义：信号电压（电流）完美的波形形状及质量

广义：互连线引起的所有信号电压电平和电流不正常现象，包扌舌：噪声、干扰和时序等 狭义：指信号电压（电流）波形的形状及质量，包括反射和串扰。

互连线的电阻、电容电感和传输线效应影响了系统性能

一反射：传输线上有回波（信号有--部分被反射回来形成振铃） 串扰：在两个不同的电性能网络之间的

互作用

-同步开关噪声（SSN ）

电源噪声」地弹：当流经接地回路电感上的电流变化时，在接地回路导线上产生的电 一压

L 轨道塌陷：PDS 中的指地/电源网络中阻抗上的压降

L 电磁干扰：它是一个传输线具有的天线特性结果

传输线模型

传输线的DI ：当频率大于1GHz 时，介质损耗的增长与频率成正比，而导线损耗与频率的平方根成正比

互连线本质上就是传输线：一条为信号线，另一条为返回线

其中：V = . :，单位长度的时延T% 亞

基本理论

电容上电压变化时必然形成电流

电感与围绕电流周围的磁力线匝数本质上是一致的

特別小心“接地”，接地不当造成的问题比用接地解决的问题要多

任何一段互连线都是传输线

分析SI 有时域和频域两途径

有损线造成上升边变差（退化），带宽有限（由于趋肤深度和介质损耗，损耗随着频率升高而增加：导线损耗 随频率平方根$于增加；介质损耗随频率F 增加）

SI 研究的问题 特性阻抗，描述了信号在均匀传输线上遇到的恒定阻抗

分析SI 问题的有效工具有：经验法则、解析近似、数值仿真技术

测量SI 问题是指用测试仪器来实测信号相关数据（仪器，包括示波器的探头和垂直放大器，都会有一定的 带宽而影响所测波形的形状）

理想方波信号与频谱

正弦波频率分量及其幅度的集合称为频谱，每一分量称为谐波 零次谐波就是直流分量值

対于理想方波占空比为50%这一特殊情况，偶次谐波的幅度为0 理想方波奇次谐波的幅度An 由公式：An 切（n 兀）得出 理想方波谐波幅度下降速率近似于1/f

帀见

带宽（BW ）：表示频谱中有效的最高正弦波频率分量

上升时间（RT ）：数字信号的终值从10%到90%的时间

以理想方波的频谱为基准，每种情况下生成的波形的带宽越来越宽。波形的带宽值越大,10-90上升时间（RT ） 就越短（所谓的高频分量）。上升时间越短，与理想方波的波形越接近。

带宽与上升吋I'可的关系:

信号的带宽减小，上升时间就会增加。 有效性：功率下降50%即电压幅度降至70% （高于这点的谐波分量幅度比理想方波屮相应频率分量的幅度 要小）。 时域波形的带宽，实际上是刚刚超过理想方波屮相应谐波幅度70%的最髙频率分暈。 Time domain

4— Penod. T —► 1.2

1.1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

-0.1 -

0.2

0.8

0.9 1 1.1 1.2

Time, nsec

BW

0.35

0v

0th harmonic + l M harmonic + ・・・ + 3I M hannonic

信号带宽与时钟频率的关系

实际的信号波形屮，上升时间可以是周期的任意百分比。当时钟频率达到器件工艺的极限，如1GH%时，上 升吋间可能是周期的25%。在许多微处理器产品中，典型的上升吋间可能是周期的10%。在高端ASIC 驱动 外部低时钟频率存储器总线时，上升时间还可能是周期的5%o 当板级总线属于老式系统时，上升时间甚至 可能只有周期的l%o

如果不知道上升时间与周期的比值，一个合理的归纳为：上升时间是时钟周期的7%,即带宽是时钟频率的 5倍。

0.35

S! |

RT

各种带宽的定义

一一般信号的带宽：有效的最高正弦波频率分量（70%谐波幅度，功率下降50%）。

测量的带宽：有良好精度时的最高正弦波频率分量。

模型的带宽：模型的预测值与互连线的实测性能能很好的吻合时的最高止弦波频率。 互连线的带宽：互连线传输性能满足指标的最高正弦波频率。

互连线的3dB 带宽是信号衰减开始小于-3dB 的频率。

经过互连线传输的信号衰减

盘耽］=+尺瞌 叶应ct

：互连线的本征上升时间

要使互连线对信号上升时间造成的增量不超过10%,

互连线的本征上升时间就要小于该信号上升时间的

5 4 3 2 ■ ■ • • o o o O 三

-0A dpn 三

dEV Time

0.7

0 6

□ Ideal square wave ■ Xf4 rise lime

0.1

O

I D 5 7 M II M 15 17 19 21 25 iS 17 29 M M W 41 4> 45 47 51 $> Hannonic Number, n

50%,这是个简单的经验法则

从频域角度看，为了比较好地传输带宽为1GHz的信号，互连线的帯宽应至少为该信号帯宽的两倍，即2GHZo

电容简介

£=切壬平行板电容：二平行板间距为h,面积为A,之间为空气

其中C：单位pF； fib：自由空间介电常数,0.089pF/cm或0.225pF/in

耳=弓，其中片为相对介电常数（被空气包围的电容量为G，绝缘材料包围电容量C）

FR4板上50 Q传输线的单位长度电容约为3.5pF/in,这是一个经验法则。流经电容的电流与电压的关系：

为了减小轨道塌陷改善电源完整性，常常在电源地间加去耦电容。在吋间t内，电容C可以阻止电源电压V 的下降或上升：St =二X 0.05 X 土 = （XOSfiC

即电源电压放电，如果持续到吋常数AXRC的5%吋，则电源电压将下降到原电压值的95%

电感的基本定义

电感是头等电参数，它对信号完整性四类问题都有影响。电感性突变，包括线间耦合、电源分布系统及EMh 「减小信号路径间的互感以减小串扰开关噪声

—减小电源分布系统的回路电感和减小返回平面的有效电感以减小SSN、地弹和EMI

电感法则一：电流产生磁力线匝数

影响磁力线匝数的因素：

~导体中电流的大小

导线的长度也会影响磁力线的匝数

导线的横截面

附近其它电流的存在也会对第一个电流周围的磁力线匝数产生影响

导体中含有铁、钻或镰，这3种金属称为铁磁金属（合金42和科瓦合金）

电介质不会对电流周围的磁力线匝数产生影响

电感法则二：静态定义L=N/I