信号完整性培训

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1、二.电源与地系统电源和地系统设计的基本原则电源电压的分布中国科大快电子学安琪1电源和地系统的基本设计原则电源和地系统在高速数字系统中的作用：为信号提供稳定的电压参考电平。为系统提供足够的能源，并将同一的电源电压分布到系统的所有器件中。控制信号之间的干扰。电源与地系统的设计，都将围绕着如何实现电源和地系统的这三个基本功能来展开。中国科大快电子学安琪2基本设计原则1首先我们来看图6-1-1中的电路：这是一个单端逻辑（Single-EndedLogic）电路。逻辑门A产生一个输出电压信号V1，当该信号沿着线B传输到逻辑门C的输入端时，逻辑

2、门C需要探测输入的逻辑电平是“1”还是“0”。为了实现这一点，逻辑门C使用一个差分放大器，将输入电压的信号幅度与其内部的一个参考电压R进行比较。参考电压R的值由具体的逻辑电路系列而定，一般是该系列逻辑电路高、低电平之间的中间值。图6-1-1单端逻辑电路的电压参考如图6-1-1所示：假定这个电压参考值是地电平以上的一个固定的电压值R，并考虑到一个可能的噪声电压N，则逻辑门C内差分放大器的输入电压为：（6-1-1）A和C的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差（用N表示），对于门C内的差分放大器，原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压N

3、，原参考电压R变成了N+R。或者说：差分放大器的参考电压R不变，噪声电压N直接加在输入信号上了。不管从那个角度看这个问题，结论是一样的。这个噪声电压降低了门C的噪声容限（NoiseMarge）。中国科大快电子学安琪3公共通道噪声电压噪声电压N基本上是与高速信号的回流电流相关。只要逻辑门A输出一个信号到逻辑门C，到达逻辑门C的信号电流必然要通过某个路径返回到逻辑门A，一般来说是通过地线系统返回。若地线系统存在着电感，则高速信号就会在电感上产生感应信号，即：噪声。不仅是逻辑门A和C，其他任何逻辑产生的回流电流，若回流通道与逻辑门A和C的地线重合，

4、也会对它们产生影响。这个噪声被称为“公共通道噪声电压”（Common-PathNoiseVoltage）。如图6-1-2所示。图6-1-2公共通道噪声电压中国科大快电子学安琪4基本设计原则1公共通道噪声电压的大小由返回信号电流和地线阻抗的乘积决定。所以电源和地系统设计的基本原则1可以表述为：为了减少公共通道噪声电压，应当在任何逻辑门电路的接地点之间保持低阻抗连接。中国科大快电子学安琪5基本设计原则2公共通道噪声的产生是与互感耦合相关的，实现低阻抗接地的一个很有效的方法是在印刷电路板设计中采用地平面板。但是，单独的低电感地平面板并不能完全解决公

5、共通道噪声的问题。像图6-1-3中的电路，即使各个逻辑门之间是完美的低阻抗连接，在电源线上的公共通道电感仍然会引起麻烦。逻辑门的高电平与其相连的电源电压相关，电源电压的任何变化，都会直接影响到逻辑门的输出电压。因此，任何逻辑门电路的电源连接点之间也必须是低阻抗连接，同逻辑门电路接地点之间的低阻抗连接要求是一样的。这是高速系统中电源和地设计的第二个原则。图6-1-3电源线上的公共通道噪声中国科大快电子学安琪6基本设计原则3在图6-1-3，信号回流电流要经过供电电池。很显然，为了保持稳定的输出信号的电平，电池的内阻必须非常低，同电源的连接，地连接

6、一样。如图6-1-3所示：电源与地之间的唯一通道是经过电池。在实际的系统中，电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道。电源与地之间必须有一些低阻抗的通道。这是高速系统中电源和地系统设计的第三个原则。图6-1-3电源线上的公共通道噪声满足以上三个基本设计原则的电源和地的系统，其公共通道噪声将很低，同时，它也将一个同一的电源电压分布到系统的各个部分。稳定的电压参考电平，低公共通道噪声和在系统的所有部分分布着一个同一的电源电压。三者是紧密相关的，若采用某技术措施帮助改善了其中一项，它同时也帮助改善了另外两项。中国科大快电子学安琪7例1：双层PCB板的

7、电源与地系统图6-1-5的双层PCB板的电源与地系统克服了图2-4单层PCB板的电源与地系统的缺陷，给出一个更好的电源和地的设计。该系统使用了两层PCB覆铜分别作为电源层和地平面层，这种设计保证了电源和地之间几乎完美的低阻抗连接。当两层PCB覆铜相互靠得很近时，它们之间存在着大量的平行板电容。在高频时其阻抗极低，允许高频电流在两板之间很容易地双向跨越。当信号频率较低时，各个逻辑门旁的旁路电容可以将电源和地平面板短路在一起。系统有一个低阻抗的地平面板连接着各个器件的接地点，该地平面板为所有的回流电流提供了低电感通道。符合基本设计原则1。系统

8、有一个低阻抗的电源板连接着各个器件的电源连接点，提供了低噪声公共通道。符合基本设计原则2。最后一个基本设计原则显然是符合的。旁路电容构成了低阻抗的通道。图6-1-