高速电路设计.pptx

高速电路设计;前言;目录;1.基础知识;高速数字信号的频谱特性;上图是一个随机数字信号和它的频谱功率密度,它的时钟频率是Fclock，每个时钟对应的数据输入是随机的。在这个例子中10%～90%上升时间叫做Tr，在这里是时钟周期的1%,在时钟的整数倍时是非常小的值，并且从Fclock开始直到Fknee（转折频率）以斜率-20dB/10倍频下降，越过了转折频率以后频谱线下降的速度急剧增加，大大快于-20dB/10倍频，在转折频率位置，频谱幅值是正常下降速率点再往下降(-6.8dB)

对于任何数字信号，转折频率的值与电路信号沿的上升时间Tr（或下降时间）有关，而与时钟频率无关：

Fknee=0.5/Tr

电路的高频响应影响它的瞬时事件处理（比如上升时间）

电路的低频响应影响电路的长时间事件处理（比如一个稳定的长时脉冲）;数字脉冲的大部分能量集中在低于Fknee的频率范围内

电路在Fknee处的特性决定了它对变化沿的处理

数字信号的两个重要特性：

1.任何在其Fknee频率以内具有一个平坦频率响应的电路，可以允许数字信号几乎无失真地通过

2.数字信号在Fknee频率以上的频率特性对于它如何处理数字信号几乎没有影响

;接收(NRZ)数字信号时，系统需要的带宽是0.75×Fclock

所以2.5Gb/s的接收机带宽2GHz就足够了，可以正确判断“0”“1”就行

正确显示一个2.5Gb/s数字信号的波形，示波器的模拟带宽要有10GHz以上!

需要显示正确、完整的波形;时间与距离;集总与分布系统;分布电路和集总电路上电位在不同时间的瞬时波形图

;高速电路中的4种类型的电抗;2.逻辑门电路的高速特性;功耗;封装;BiCMOS电路产生的地弹波形;减少地弹的方法;引脚电容;3.传输线;普通直连导线的缺点;传输线;理想的无失真、无损耗传输线;理想传输线上任何一点的电压都是输入波形的复制，只是沿传输线向前有一定的延迟

在真空中电磁波速为0.0118in/ps(0.2997mm/ps)，或者为84.7ps/in(3.3364ps/mm)的时间延迟

传输线的传播延迟与其单位长度的串联电感和单位长度的并联电容有关

理想传输线有一个电阻性的输入阻抗，是一个常数，也不是频率的函数

;有损耗传输线;传输线的损耗─趋肤效应;传???线的损耗─介电损耗;传输线的物理基础;传输线的阻抗;信号电流经过传输线的分布电容流到返回路径上，只有信号电压变化的地方，即dv/dt不为0的地方，电流才从信号路径流到返回路径上

;信号沿传输线向前传播，会有一个瞬时电压与电流，信号受到的阻抗就像电阻性负载一样，电压与电流的比值—瞬态阻抗

其中：

Z—传输线的瞬态阻抗Ω

CL—单位长度电容量pF/in

v—材料中的光速

εr—材料的介电常数

瞬态阻抗是有时间概念的—在不同时刻可能会有不同值;传输线的特性阻抗;用欧姆表来测量一段50欧同轴电缆的输入阻抗会有什么结果呢？(联想一下，用指针式欧姆表测电容，电表的反应)

假如有一根非常长的RG58(50欧)电缆，它一直通向月球--长约240000mile，在RG58电缆中电磁波传播速度约为每秒130000mile，电压波从一端到末端约花近2秒，返回又需2秒，如果将欧姆表连到该电缆的始端，那么在电压波返回的4秒内，传输线上的电流是一个恒量，等于信号在传播时给每小段电缆的电容充电的电流，就是说电源感受到的瞬态阻抗并即为电缆的特性阻抗，欧姆表在最初4秒内的读数就是电缆的特性阻抗—50Ω，而在4秒之后，欧姆表的读数就会是无穷大—开路

;特性阻抗与频率的关系;为什么我们使用50Ω（差分100Ω）特性阻抗？;传输线的一阶模型;运用网络理论，根据传输线的参数，可以得到传输线的特性阻抗：

传输线的时延：

其中：

Z0为特性阻抗—单位Ω

LL为传输线的单位长度回路电感--单位nH/in

CL为单位长度电容--单位nF/in

TD为传输线的时延--单位ns

Ltotal为传输线的总电感--单位nH

Ctotal为传输线的总电容─单位nF;传输线与反射;反射形成机理;9/12/2022;在任何电路的节点上，流入的电流和流出的电流必定相等，所以入射电流Iinc、反射电流Irefl和传播电流Itrans，满足电流相同的条件：

Iinc-Irefl=Itrans

由上述可知，只有产生了反射电压和反射电流，交界两侧的电压和电流才可以是连续的，整个系统才是平衡的

;反射信号量由瞬态阻抗的变化量决定，反射信号与入射信号的幅值