高速数字电路设计与实现 - search readpudncom

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1、高速数字电路设计与实现•高速数字电路简介•信号完整性•电路的调试与测试•电路板级设计1、高速数字电路简介•电磁继电器、电子管、晶体管、集成电路•空中飞线连接、单面敷铜板、双层电路板、多层电路板•从数字电路的发展来看，高速是电路发展的趋势•高速数字设计和低速数字设计相比最大差异在于无源元件的行为。这些无源元件包括导线、电路板、集成电路的封装和电路板上的过孔等等。•在低速电路中，无源电路元件仅有封装部分对电路造成部分的影响•在高速电路中，所有无源电路元件都影响电路的性能。•高速数字设计就是研究这些无源电路元件对电路造成的各种影响，如：对信号传输的影响（

2、振铃和反射），信号间的相互作用（串扰），和自然界的相互作用（电磁干扰）等等•到底多高的速度才能称为高速？–目前还没有一个权威的频率界限，工程上一般认为超过30MHz就是高速电路，也有的人认为是25MHz或50MHz。–然而在高速电路的设计中，我们更关心的是信号的上升、下降时间。对于频率不高，但是边沿陡峭的信号仍然会存在某些高频信号的特性。–由于频率较高的信号边沿必定很陡，所以通常把这二者混为一谈。•而在高速电路中，由于时钟速率的提高，电路中的连线不能够再被当作理想导线，应该看成是传输线，电路通常需要用分布参数模型来分析•工程上一般认为，对于印刷电路

3、板上的走线或点对点的电导线长度只要大于上升沿长度的1/6，电路就体现出分布参数特性。2、信号完整性•由集成电路芯片构成的电子系统更是朝着大规模、小体积、高速度的方向发展的。•信号完整性（SignalIntegrity,简称SI）是指在信号线上的信号质量，即实际传输信号与理想信号的一致性。•信号质量差（不完整）的原因主要有：反射、串扰、地弹等等•不完整的信号现象有：过冲、欠冲、阻尼震荡、非单调等。3、传输线理论•传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，，传输线的研究涉及很多复杂的理论。•在高速数字设计中只涉及到四种：同轴电缆、双绞线、微带线和带状线•

4、最重要参数：传输线的特性阻抗和信号在传输线中的时延。•PCB板中的传输线分析–对某参数：•微带传输线•带状传输线–对于同样的电介质，•微带传输线的传输速度要比带状传输线的快•一般微带传输线的阻抗也比带状传输线的高。4、反射及端接技术•传输线上只要出现阻抗不连续点就会出现信号的反射现象•信号线的源端和负载端、过孔、走线分支点、走线的拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。•如果负载阻抗小于传输线特性阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线特性阻抗，反射电压为正。•反射造成了信号振铃现象，如果振铃的幅度过大，一方面可能造成信号电平的误判断，

5、另一方可能会对器件造成损坏。•信号到负载端后部分信号会向源端反射，这部分信号由负载端反射系数决定•从负载端反射回来的信号经过传输线又传回源端，源端有将其一部分反射回负载端，这部分由源反射系数决定：•对于理想的情况，希望在负载端得到的信号没有任何振铃，有三种方法可以达到这样的目的：–一是使负载反射系数为0，即，这可以消除信号的一次反射，可以采用负载端并行端接来实现；–二是使源端反射系数为0，即，这可以消除信号的二次反射，可以采用源端串行端接来实现；–三是使用短线。在信号走线可以认为是短线的情况下，可视为1，信号传输没有幅度衰减和相位时延。•优点：每条

6、线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消耗功率小。•缺点：当信号逻辑转换时，由于的分压作用，在源端会出现半波幅度的信号，会出现不正确的逻辑态。并且由于在信号通路上加接了元件，增加了RC时间常数从而减缓了负载端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路（如高速时钟等）。•简单并行端接–在输出为高电平状态时，这种并行端接电路消耗的电流过大，对于50Ω的端接负载，维持TTL高电平消耗电流高达48mA，因此一般器件很难可靠地支持这种端接电路。•其他信号反射原因：–印制板电路中的过孔–走线分支点–走线拐点5、串扰及其改善•串扰是指当信号在传输线上传播时，因

7、电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。•串扰的改善方法–地平面在串扰的问题上起着至关重要的作用–拉大两条信号线之间的距离，减小耦合程度–相邻信号层信号尽量相互垂直或成一定的角度–高速信号线尽量走在贴近地平面的信号层里，以减小走线与地平面之间的距离–减小高速信号走线的长度，否则高速信号附近的会有更多的信号受其影响–在速度满足要求的前提下，使用上升沿较缓的驱动器6、地弹及其改善•由于输出信号的翻转导致芯片内部参考地电压的飘移叫做地弹•接地反弹的噪声主要是源自于电源路径以及IC封装所造成的分布电感。•当器件输出信号有翻转时，就会产生噪声短脉冲

8、。•当系统的速度越快或同时转换逻辑状态的I/O管脚个数越多时就越容易造成接地反弹。•地弹的改善方法–接地反弹与引线电感成正