基于高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)方案的研究

本文章著重介紹了在高速數(shù)字電路中電阻元件、電容元件、電感元件、鐵氧體元件的特性與應(yīng)用，高速數(shù)字電路的PDN設(shè)計(jì)，高速數(shù)字電路的去耦電路設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA的PDN設(shè)計(jì)，高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性，高速數(shù)字電路的EMI抑制，高速信令標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求、特性與應(yīng)用等內(nèi)容。

高速數(shù)字設(shè)計(jì)

高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)跟低速數(shù)字電路設(shè)計(jì)不同的是：他強(qiáng)調(diào)組成電路的無源部件對(duì)電路的影響。這些無源器件包括導(dǎo)線、電路板和組成數(shù)字產(chǎn)品的集成電路。在低速設(shè)計(jì)中，這些部件單純

的只是電路的一部分，根本不用多做考慮，可是在高速設(shè)計(jì)中，這些部件對(duì)電路的性能有著直接的影響。

高速電路設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是以下幾個(gè)方面：

1、無源電路單元是如何影響信號(hào)傳輸?shù)?振鈴和反射)。

2、信號(hào)間的相互影響(串?dāng)_)。

3、與周圍環(huán)境間如何影響(電磁干擾)。

我們?cè)谙旅娴膸讉€(gè)小節(jié)里面首先介紹一下頻率、時(shí)間和距離相互之間的一些關(guān)系。

1.1 頻率和時(shí)間

在低頻電路里面，我們可以隨便直接使用一個(gè)導(dǎo)線把兩個(gè)電路連接起來，但是在高頻電路中我們不能這樣做，我們只能使用一個(gè)寬一些并且是平整的物體才可以把兩個(gè)電路短接起來。這是因?yàn)樵诘皖l電路中沒有什么影響的導(dǎo)線，到了高頻電路中，就變成了一個(gè)電感。這是一個(gè)普遍的現(xiàn)象嗎?難道真的是一個(gè)電路不能在可變化的頻率范圍內(nèi)工作?電路的參數(shù)真是對(duì)頻率敏感的嗎?

是的。如果我們給一個(gè)電路畫出以頻率為底的對(duì)數(shù)曲線，沒有一個(gè)電路參數(shù)能夠在頻率增加10倍或者20倍以后保持不變的。因此必須考慮每個(gè)電參數(shù)的有效頻率范圍。

我們先來研究一下在頻率很低(周期很長(zhǎng))的電路中的電路特性，然后我們?cè)賮硌芯吭诟哳l時(shí)電路會(huì)有什么變化。

如果一個(gè)正弦波的頻率是10-12 HZ，也就是說他完成一個(gè)周期需要30000年。這樣的一個(gè)波形在TTL電平里每天的變化不會(huì)超過1微伏，這樣的頻率確實(shí)太低了，不過他還沒有等于0。

這個(gè)時(shí)候我們用示波器來觀察這個(gè)波形，實(shí)際上我們觀察不到任何變化，因?yàn)樗闹芷谔L(zhǎng)了，要等到他變化完成一個(gè)周期，設(shè)備都已經(jīng)風(fēng)化了。

相反我們?cè)賮砜紤]一下如果頻率是10+12 又會(huì)如何?這時(shí)候，參數(shù)變化太大了，本來在低頻時(shí)候是0.01歐姆的電阻，當(dāng)頻率到了1GHZ 時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，變成了1歐姆，不但如此，還增加了一個(gè)50歐姆的感抗。

頻率到底在多高的范圍內(nèi)會(huì)對(duì)高速電路設(shè)計(jì)造成影響?圖1.1是一個(gè)隨機(jī)數(shù)字脈沖與它的頻譜

重要部分的關(guān)系圖，回答了這個(gè)問題。

數(shù)字信號(hào)是一個(gè)觸發(fā)器的輸出，它的時(shí)鐘頻率是F_CLOCK ，每個(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入是隨機(jī)的。在這個(gè)例子中10-90%上升時(shí)間叫做 Tr，是時(shí)鐘周期的1%。

這個(gè)信號(hào)的功率密度譜如圖1.1，在時(shí)鐘的整數(shù)倍時(shí)是非常小的值，并且從Fclock開始直到Fknee(拐彎頻率)以斜率 -20dB/10倍頻 下降，越過了拐彎頻率以后頻譜線下降的速度急劇增加，大大快于-20dB/10倍頻。在拐彎頻率位置，頻譜幅值是正常下降速率點(diǎn)再往下降-6.8dB。對(duì)于任何電路，拐彎頻率的值與電路信號(hào)沿的上升時(shí)間Tr(或下降時(shí)間)有關(guān)，與時(shí)鐘頻率無關(guān)：

Fknee=0.5/Tr 公式1.1

式子中：

Fknee：拐彎頻率

Tr：脈沖上升時(shí)間

可見上升時(shí)間越短，拐彎頻率越高，上升時(shí)間越長(zhǎng)，拐彎頻率越低。

數(shù)字信號(hào)的時(shí)域特性主要取決于Fknee以下的頻譜特性。由此我們可以定性的推出數(shù)字電路的兩個(gè)重要特性：

推論1、所有對(duì)低于或等于Fknee 的頻率響應(yīng)都是均勻的電路，能夠不失真的傳輸相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

推論2、當(dāng)頻率高于Fknee時(shí)，對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理會(huì)有一定的影響。