高速电路系统原理与设计 概述1要点

有数字设备设计中最重 要的考虑因素。 数字设计主要是速度和 功耗之间的折衷
输入/输出 阻抗
速度
电压 摆幅
模拟电路与数字电路

模拟电路的类型

放大电路

小信号放大电路（线性） 功率放大电路（非线性）
无源滤波 有源滤波 加、减、乘、除 微分、积分 比例、对数、指数 电流/电压、电压/电流转换 直流/交流、交流/直流转换 直流电压/频率转换 …

电子系统设计具体步骤
方案选择与可 单元电路设计 调查研究需求 → → 行性论证 和元器件选择
→ 生成PCB图 → 组装与调试
编写设计文档 → 与总结报告
电子系统设计

调查研究需求
明确设计要求
做什么？系统的功能、输入和输出 做到何种程度？性能、技术指标

弄清设计方法
有那些可使用的设计方法？ 比较各种方法的：先进性、性价比、可行性

电子系统定义
将由电子元器件或部件组成的，能够产生、传输或处
理电信号及信息的客观实体称为电子系统。 模拟电子系统、数字电子系统、微处理机系统（单片 机、DSP、嵌入式系统…）、SOC （片上）系统…
电子系统概述
电子系统的组成及工作方式：
系统首先采集信号，即进行信号的提取。 在加工信号之前，需将其进行预处理。 当信号足够大时，再进行信号的运算、转换、比较等

了解设计关键

决定指标的关键：难点、重点（工作量大）
电子系统设计

方案选择与可行性论证
将系统按功能分解成若干子系统，分清主次和相互的
关系，形成若干单元功能模块组成的总体方案。 对几个方案进行比较和论证，择优选取。

对不同的方案，应深入分析比较。对关键部分，还 要提出各种具体电路，根据设计要求进行分析比较， 从而找出最优方案。

信号产生电路


选频与滤波电路

振荡电路 函数发生器 线性电压源 开关电压源 电流源电路 调制与解调 变频电路

电源电路


运算电路


频率变换电路


信号转换电路


反馈与控制电路 …
模拟电路与数字电路

模拟电路的设计准则
满足系统功能和性能的要求 电子系统设计必须满足的基本要求 电路简单、成本低、体积小 系统集成技术是简化系统电路的最好方法 电磁兼容好 现代电子系统的基本要求 可靠性高 系统集成度高 生产工艺简单 操作简单方便 现代电子系统的重要特征 耗电少 性能价格比高


高速电子系统互连设计 高速PCB设计基础 电源完整性与接地设计 信号完整性设计 时序完整性设计
EMC设计—去耦、滤波与屏蔽 高速电子系统电磁兼容设计实践

系统设计 芯片设计
课程的教与学

教：
以高速电子系统系统设计、板级互连设计的原理、
方法讲授为主，兼顾芯片设计的方法、手段介绍， 讲授与讨论相结合。
模拟电路与数字电路

完整的电子系统是模拟－数字混合系统 模拟电路的地位和作用
在很高频率工作的信号还只能由模拟电路处理，因为
数字电路的工作速度不够 微弱信号的放大数字电路不能完成 大功率输出 与物理世界的接口，实际接触的物理量多是模拟的， 即使采用数字信号处理，也必须经过一定的模拟信号 处理 与传输介质接口，信号在各种传输介质中的传播，因 为主要是载波传输，主要应用模拟信号 易于实现各种非线性电路，如相乘器等
模拟电路与数字电路

模拟电路的设计准则

电磁兼容考虑


选择电磁兼容好的集成电路 关键电路数字化 提高系统集成度 降低系统频率 提供足够的电源功率 电路布局布线合理
器件选择与参数计算


可靠性考虑



电阻：阻值、功耗、精度、噪声、频率特性 电容：容量、耐压、精度、损耗、频率特性 电位器：功耗、阻值变化方式 二极管：极限参数、频率特性 三极管：极限参数、频率特性 优先选择集成电路
嵌入式系统开发工具

电子系统设计

编写设计文档与总结报告
设计文档的编写 系统的设计要求与技术指标的确定； 方案选择与可行性论证； 单元电路设计、参数选择和元器件选择； 参考文献。 总结报告的具体内容： 设计工作的进程记录； 原始设计修改部分的说明； 实际电路原理图、程序清单等； 功能与指标测试结果(注明所使用的仪器型号与规格)； 系统的操作使用说明； 存在的问题及改进措施等。
现代的系统设计通常采用以自顶向下法为主，结合自
底向上法的方法。 结合了自顶向下法和自底向上法的优点。为实现设计 的可重复使用以及对系统进行模块化设计测试，
电子系统设计
电子系统设计的一般原则
兼顾技术的先进性和成熟性
安全性、可靠性和容错性 实用性和经济性 开放性和可扩展性 易维护性
电子系统设计

电子系统设计一般步骤
行为描述与设计
系统技术规范、功能描述 描述系统的各项功能、各个单元的输入输出关系、 各种技术指标

结构描述与设计
子系统之间的组合 描述各单元之间的互连关系或协议

物理描述与设计
系统具体的实现技术 实现结构的具体形式,技术,工艺

电子系统设计


（美）Mark I. Montrose. 电磁兼容的印制电路板设计. 机械工业出版 社，2008 （美）Mark I. Montrose. 电磁兼容和印刷电路板—理论、设计和布线. 人民邮电出版社, 2002 （美）Eric Bogatin. 信号完整性分析.电子工业出版社,2005 （美）Douglas Brooks. 信号完整性问题和印制电路板设计.机械工业 出版社，2005

电子系统发展的支撑点：

电子系统概述
典型的电子系统结构
电子系统设计

一般设计方法
自顶向下的设计方法

顶：系统的功能
自底向上的设计方法

底：基本的元器件、板图
以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上
的方法

自顶至底：系统、子系统、部件（功能模 块）、单元电路、元器件
电子系统设计
高速电子系统原理与设计
电子系统概述
电子系统概述
教学安排 电子系统概述 电子系统设计 模拟电路与数字电路 集总系统与分布系统 高速电子系统简介

内容安排



电子系统概述 高速电子系统基本原理 元器件的高速模型 逻辑门的高速特性 带宽与信号速率 传输线理论 阻抗匹配与端接 电子系统的主要技术指标 模拟电路主要技术指标 数字电路主要技术指标 光电系统主要技术指标 高速电子系统设计
电路级仿真工具

PCB设计工具

可编程器件设计工具

Xilinx ISE; Altera QuartusII; Mentor FPGA Advantage
ARM ADS; Keil ARM/C51 IDE；Altera Nios II IDE；Ti Code Composer Studio
电子系统设计

自底向上法（Bottom to Up）：
多用于系统的组装和测试---传统电子系统设计常用方
法 自底向上设计的优点

在系统的组装和调试过程中有效 可以利用前人的设计成果
自底向上设计的缺点 部件设计在先，设计系统时易受部件限制影响

组合法（TD&BU Combined）：
iD gm
线性 工作区
v 饱和区 GD
模拟电路与数字电路

数字与模拟电路发展不平衡，数字电路和数字信号应用远 超过模拟电路和模拟信号 以通信电路为例

数字通信的主要特点 抗干扰能力强，无噪声积累，保证较高的通信质量 便于加密处理，且保密强度高 数字信号便于直接与计算机接口，形成智能网 高度的灵活性和通用性 设备便于集成化、微型化
模拟电路与数字电路

模拟电路的设计特点
相互矛盾，必须折衷
工程性 实践性
模拟电路与数字电路

模拟电路开发需要具备的能力
读图能力--定性分析
物理量 模拟电量 数字信号 DSP 模拟信号 物理量 传感器 A/D变换器 D/A变换器 转换器
模拟电路与数字电路

数字电路的特点
工作状态比模拟电路稳定，
工作在器件的截止与饱和区， 而模拟电路工作在线性区 电路规则，种类少 易于大规模集成，数字电路 截止区 集成规模远大于模拟电路 易于采用EDA工具进行分析 与设计
不同的加工。 最后，一般还要经过功率放大以驱动执行机构（负载 ）。 若要进行数字化处理，则首先通过A/D转换电路将预处 理后的模拟信号转换为数字信号，输入至计算机或其 他数字系统，经处理后，再经D/A转换电路将数字信号 转换为模拟信号，以便驱动负载。
电子系统概述

电子系统的应用已经扩展到社会生活的各个方面，其 特点是：

系统功能越来越复杂，性能要求越来越高； 要求体积小，重量轻，功耗低，成本低； 高工作稳定性和可靠性； 生产过程的少调整和无调整。

电子系统的实现方法大致有三类：


专用集成电路 数字信号处理器或以通用数字信号处理器为核的专用处理器 可编程逻辑器件，FPGA，PLA，……
半导体器件与集成电路工艺的进步 计算机辅助设计工具的完善
考虑方案的可行性、性能、可靠性、功耗等实际问 题。 选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比 高”。

电子系统设计

单元电路设计
根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对
各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指 标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。

器件的选择
选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面

学：
要求掌握电子系统系统设计及板级互连设计的基本
概念、基本原理、基本方法。


多阅读课外书籍、杂志论文
参与课内外讨论 多做实验、参与实践
工程途径中的四种重要技术工具

经验法则


解析近似
数值仿真
实际测量
课程教材与参考书简介

（美）Howard Johnson, Martin Graham. 高速数字设计.电子工 业出版社,2004 （美）Stephen H. Hall, Garrett W. Hall等. 高速数字系统设计— 互连理论和设计实践手册. 机械工业出版社，2005
数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系
统频带为代价而换取的。

数字通信的频带利用率不高 同步要求高，系统设备比较复杂
模拟电路与数字电路

模拟电路设计空间
模拟设计在一个多维空
间进行，几乎每两个参 量间都需要彼此折衷

噪声 功耗
线性 增益
电源 电压
数字电路设计特点
功率、速度和封装是所

余小平,奚大顺.电子系统设计---基础篇. 北京航空航天大学出版社. 2010
考试方式
根据情况，采用闭卷或开卷或大作 业的形式进行考试。
电子Fra Baidu bibliotek统概述

系统的定义
系统是由两个以上各不相同且相互联系，互相制约的
单元组成的，在给定环境下能够完成一定功能的综合 体。 在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。
电路原理图的绘制 PCB图的绘制

组装与调试
计算机仿真和实验验证

可应用在系统设计的各个阶段，不同的阶段有不同的仿真工具。 现代电子系统设计更加强调仿真的重要作用。
电子系统设计

电子系统设计与仿真工具
系统级设计与算法设计工具

System View; MATLAB Pspice; Multisim Power PCB; Protel
来考虑。 应该根据器件自身特性和电路要求选择合适的器件。 尽量采用集成电路和新器件将起到事半功倍的效果。
电子系统设计

元器件的参数计算
元器件的参数计算有的需要根据电路理论公式进行，有
的按照工程估算法进行，有的可用典型电路参数或经验 数据。选用的元器件参数值最终都必须采用标称值。

生成PCB图

自顶向下法（Top to Down）：
适用于大型、复杂的系统设计---现代EDA设计常用方
法 自顶向下设计遵循的原则

正确性和完备性原则 模块化，结构化原则 问题不下放原则 高层主导原则 直观性、清晰性原则
自顶向下设计的优点 尽量使用概念（抽象）描述、分析设计对象，不过早地考虑具 体的电路、元件及工艺 抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性