信號(hào)完整性培訓(xùn)

1、關(guān)于信號(hào)完整性培訓(xùn)中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪1第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四第一講 幾個(gè)基本概念 電源與地系統(tǒng)中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪2第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四一. 幾個(gè)基本概念 信號(hào)完整性（Signal Integrity） 膝頻率fKnee與上升時(shí)間tr 集總系統(tǒng)與分布系統(tǒng) 傳輸線與阻抗匹配中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪3第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四信號(hào)完整性（Signal Integrity）中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪4第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四一. 數(shù)字信號(hào)1. 理

2、想的數(shù)字信號(hào)（二值函數(shù)）數(shù)學(xué)模型2： 數(shù)學(xué)模型1：理想數(shù)字信號(hào)波形 數(shù)學(xué)模型2 理想數(shù)字信號(hào)波形 數(shù)學(xué)模型1式中：tr = t1 - t0 , tf = t3 t2中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪5第5頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四2. 實(shí)際的數(shù)字信號(hào)上升時(shí)間（tr）: 數(shù)字信號(hào)上升沿中對(duì)應(yīng)滿幅度電壓的10% 90%處的時(shí)間 間隔。 下降時(shí)間（tf）: 數(shù)字信號(hào)下降沿中對(duì)應(yīng)滿幅度電壓的90% 10%處的時(shí)間 間隔。 參數(shù)定義：中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪6第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四參數(shù)定義：trtf10%90%VH minVL maxVth50%

3、trtf10%90%VH minVL maxVth50%上沖（Overshoot） 上沖又被稱為過(guò)沖。顧名思義，它指的是沿著信號(hào)邊沿的跳變方向，信號(hào)波形中超出穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。 對(duì)于上升沿，這應(yīng)是從“0”到“1”的跳變，在高電平處高于邏輯電平“1” 穩(wěn)定電壓值的部分。 對(duì)于下降沿，這應(yīng)是從“1”到“0”的跳變，在低電平處低于邏輯電平“0” 電壓穩(wěn)定值的部分。下沖（Undershoot） 下沖又被稱為反沖。它指的是信號(hào)在過(guò)沖后，又沿著跳變方向的反方向，信號(hào)波形越過(guò)穩(wěn)定的“1”或“0”狀態(tài)電平的部分。 對(duì)于上升沿，即：從“0”到“1”的跳變，信號(hào)上沖后，反過(guò)來(lái)又低于邏輯電平“1”

4、 的穩(wěn)定電壓值的部分。 對(duì)于下降沿，即：從“1”到“0”的跳變，信號(hào)過(guò)沖后，反過(guò)來(lái)又高于邏輯電平“0”的電壓穩(wěn)定值的部分。振鈴 （Ring） 信號(hào)發(fā)生連續(xù)多次的上沖和下沖，所形成的震蕩。一般其振幅應(yīng)是一次比一次小，逐漸趨于零。 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪7第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四噪聲容限：（Noise Margin） 噪聲容限是量度邏輯電路在最壞工作條件下的抗干擾能力的直流電壓指標(biāo), 它規(guī)定了數(shù)字電路在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)允許的最大噪聲。該參數(shù)定義為: 最差輸入邏輯電平值(VIH min或VIL max)與在這種輸入條件下所能保證的最差輸出邏輯電平值(VOH min或V

5、OL max)之差, 即: 這里有兩個(gè)噪聲容限定義：NMH表示高電平狀態(tài)時(shí)的噪聲容限, NML表示低電平狀態(tài)時(shí)的噪聲容限。10%90%VH minVL maxVth50%10%90%VH minVL maxVth50%trtf中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪8第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四二. 信號(hào)完整性 信號(hào)完整性涉及到兩個(gè)方面：信號(hào)波形的完整性和時(shí)序的完整性。信號(hào)波形的完整性： 經(jīng)常提及的術(shù)語(yǔ)是上述的五個(gè)基本概念，這就是：信號(hào)的上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf），波形的上沖（Overshoot），下沖（Undershoot）和振鈴 （Ring）。以及接收端的信號(hào)還存在

6、多大的噪聲容限（Noise Margin)。 信號(hào)完整性討論是為了確?？尚诺母咚贁?shù)據(jù)傳輸。在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，人們經(jīng)常會(huì)問(wèn)到這樣的問(wèn)題：傳輸?shù)侥康牡氐男盘?hào)是否如同人們所預(yù)期的那樣？或者說(shuō)：當(dāng)信號(hào)到達(dá)時(shí)是否處于良好的狀態(tài)？ 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪9第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四時(shí)序的完整性 時(shí)序完整性主要關(guān)注的是同步時(shí)序方程是否能滿足。經(jīng)常涉及到是時(shí)序偏差（Skew）和抖動(dòng)(Jitter)的概念。建立方程：保持方程：中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪10第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四時(shí)序偏差時(shí)序信號(hào)的理想“沿變”和實(shí)際上的“沿變”之差。 在

7、實(shí)際系統(tǒng)中，造成時(shí)序信號(hào)的“沿變”與理想“沿變”存在著差別的一個(gè)主要原因是因?yàn)檫壿嬈骷男盘?hào)傳輸延遲時(shí)間上存在著差別。因此，人們也常直觀地將時(shí)序偏差定義為器件輸出時(shí)序信號(hào)的傳輸延遲之差。InOut1Out2InOut1Out2中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪11第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四兩類時(shí)序偏差 從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有可能引起時(shí)序信號(hào)的實(shí)際“沿變”與理想的“沿變”不同。因此可以將時(shí)序偏差分為兩類：內(nèi)部時(shí)序偏差（Intrinsic Skew）： 由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號(hào)延遲上的差別。外部時(shí)序

8、偏差（Extrinsic Skew）： 由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪12第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四時(shí)序抖動(dòng) 當(dāng)實(shí)際信號(hào)的邊沿與理想時(shí)序邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時(shí)，而且這種變化是隨機(jī)的，這種現(xiàn)象就是我們常說(shuō)的時(shí)序抖動(dòng)，或者說(shuō)時(shí)序晃動(dòng)。這種偏離相對(duì)于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，時(shí)序抖動(dòng)的數(shù)值表示通常有兩種： 時(shí)鐘抖動(dòng)的最大值，即：峰-峰值（Peak-Peak），單位一般為皮秒，常用ps來(lái)表示。 時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（），單位一般也為皮秒（ ps ）。 數(shù)字信

9、號(hào)的邊沿抖動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的影響可以認(rèn)為是一種動(dòng)態(tài)行為，或者說(shuō)其影響是隨機(jī)的，對(duì)系統(tǒng)性能破壞更大，尤其是時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)，常常是制約高速數(shù)字系統(tǒng)性能的根本因素。 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪13第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四時(shí)間容限（Timing Margin）建立方程：保持方程： 所有項(xiàng)目都考慮為最差情況，即考慮了時(shí)間容限，但然，也有為了更為保險(xiǎn)，可以再加一些時(shí)間容限，但在當(dāng)前的高速電路，增加時(shí)間容限也是要付出代價(jià)的中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪14第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四影響信號(hào)完整性的主要因素 信號(hào)在傳輸線上的反射 信號(hào)在傳輸過(guò)程中的串

10、擾 噪聲（電源噪聲，熱噪聲，地反彈噪聲等） 電磁輻射中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪15第15頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四要點(diǎn) 在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際的數(shù)字波形必須考慮。既：要保持 信號(hào)的完整性。 信號(hào)完整性涉及到兩個(gè)方面：波形完整性和時(shí)序完整性。 波形完整性要素： 上升和下降時(shí)間 上沖和下沖 振鈴 噪聲容限 占空比 時(shí)序完整性要素： 同步時(shí)序方程 時(shí)序偏差 時(shí)序噪聲 時(shí)間容限 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪16第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四膝頻率（fKnee）與 上升時(shí)間（tr ）中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪17第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5

11、月20日，8點(diǎn)39分，星期四 考慮兩個(gè)極端情況： 1. 一個(gè)頻率為 的正弦波 波形變化一個(gè)周期需要3萬(wàn)年。若輸入到TTL電路，其輸出電壓 每天變化不到1V。 任何一個(gè)包含這樣低頻率的半導(dǎo)體器件的試驗(yàn)都會(huì)以失敗而告 終。在這樣長(zhǎng)的時(shí)間尺度來(lái)看，集成電路只是一小塊氧化硅。 2. 一個(gè)頻率為 的正弦波 信號(hào)周期為1ps，數(shù)字電路根本無(wú)法響應(yīng)這個(gè)頻率的信號(hào)。 一些電路參數(shù)發(fā)生變化。如地線的電阻由于趨膚效應(yīng)由0.01 （1KHz）變?yōu)?，并且還獲得50的感應(yīng)電抗。 電路元件的參數(shù)是對(duì)頻率敏感的，在不同的頻率范圍內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出來(lái)不同的特性。任何一種電參數(shù)，其數(shù)值僅在一定的頻率范圍內(nèi)有效。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安

12、琪18第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四到底多高的頻率 會(huì)影響到高速數(shù)字 電路的設(shè)計(jì)呢？中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪19第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四膝頻率（FKnee）DQ/QCPFclockRandom “1” or “0” 時(shí)鐘信號(hào)的上升、下降時(shí)間為時(shí)鐘周期的1%。 D觸發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)的特征與輸入時(shí)鐘類似。 一個(gè)實(shí)驗(yàn)中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪20第20頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四頻譜分析 從頻率Fclcok到頻率Fknee，整個(gè)輸出 功率密度譜呈-20dB/decade的斜率 下降。 在Fknee處附近，

13、譜密度曲線開(kāi)始快 速下降。 拐點(diǎn)頻率Fknee的功率譜密度比正常 下降曲線低6.8dB。 輸出信號(hào)的能量主要集中在低于拐 點(diǎn)頻率Fknee的頻率范圍內(nèi)。 將膝頻率Fknee頻看作為數(shù)字信號(hào)的 頻率成分上限。DQ/QCPFclockRandom “1” or “0”譜分析中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪21第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四膝頻率與上升時(shí)間 任何電路若對(duì)膝頻率FKnee及其以下頻率有平坦的響應(yīng)曲線的話，那么信號(hào)通 過(guò)此電路不會(huì)失真。 數(shù)字電路對(duì)高于其FKnee以上的輸入頻率成分的響應(yīng)不會(huì)影響到對(duì)正常的對(duì)應(yīng) 于低于FKnee的數(shù)字信號(hào)的處理。 任何數(shù)字信號(hào)的膝頻

14、率只與數(shù)字信號(hào)的上升（tr）和下降沿時(shí)間（tf）有關(guān)，而與時(shí)鐘速率無(wú)關(guān)。兩個(gè)重要結(jié)論： 容易看出，上升沿時(shí)間越小，膝頻率越大，上升沿時(shí)間越大，膝頻率越小。任何數(shù)字信號(hào)重要的時(shí)域特性基本上都是由FKnee頻率以及其以下的頻率成分所決定。 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪22第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四集總系統(tǒng)與分布系統(tǒng)中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪23第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四一. 信號(hào)傳輸?shù)乃姆N電性等效模型 全波模型 分布模型（離散模型） 集總模型 直流模型 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪24第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39

15、分，星期四1. 全波模型 理論：“麥克斯威方程組”。 假設(shè)電磁波在一個(gè)無(wú)限大的平 面上行進(jìn)： 電場(chǎng)指向x方向； 磁場(chǎng)指向y方向； 整個(gè)電磁場(chǎng)往z方向行進(jìn)。 傳播速度：光速， 阻抗：電場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)的比值，在自由空間里為377。 當(dāng)平面波遇到一個(gè)高傳導(dǎo)物體時(shí)，傳播方向會(huì)隨即發(fā)生變化。如果適當(dāng)?shù)卣{(diào) 整傳播的物體，則平面波可以被導(dǎo)入到一個(gè)傳輸線里，這個(gè)我們稱為“全波 模型”。 選擇“邊界條件”用以代表實(shí)際物體的幾何結(jié)構(gòu)以及所使用的材料，來(lái)求解全 波模型的麥克斯威方程組。 即使非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體，方程組也很難解出。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪25第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四2.分

16、布系統(tǒng) 簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型： 用“電容”來(lái)描述電能 用“電感”來(lái)表示磁能， 用“電阻”來(lái)代表轉(zhuǎn)換為熱的能量損耗。 這些元件被定義成沒(méi)有實(shí)際尺寸，由無(wú)損和 無(wú)延遲的導(dǎo)線將它們連接起來(lái)。 有了這些電路元件就不再需要麥克斯威方程 組和邊界條件，利用這些電路元件就可以來(lái) 描述一個(gè)所謂的理想傳輸線的結(jié)構(gòu)。分布模型（離散模型）示意圖 基本的傳輸線結(jié)構(gòu)如圖所示，理想上，它是由無(wú)限多的RLC網(wǎng)絡(luò)所組成的，然而，為了計(jì)算的目的（特別是為了時(shí)域的計(jì)算方便），我們通常選擇有限個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)來(lái)代表。其基本的假設(shè)是每個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)的波長(zhǎng)或者上升時(shí)間。 需要提醒的是，這種傳輸線模型仍然是用集總的元件來(lái)描述系統(tǒng)的

17、，只不過(guò)這些元件是分布在整個(gè)系統(tǒng)中，并且是足夠小。以至于每個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)的波長(zhǎng)或者上升時(shí)間。我們稱這種傳輸線模型為“分布模型”。在分布模型”中，我們使用了許多分布元件來(lái)描述電波傳輸?shù)男阅堋?中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪26第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四3.集總系統(tǒng) 如果傳輸線的整體傳輸延遲時(shí)間較信號(hào)的上升時(shí)間來(lái)的短的話，則只需要一個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)或是RC網(wǎng)絡(luò)就可以代表整個(gè)電磁波的性能，我們稱它為“集總模型”。 在集總模型的環(huán)境里，電磁波的波長(zhǎng)會(huì)遠(yuǎn)大于電路的物理尺寸，所以，可以將分布的一些小的電路元件集總起來(lái)就可以精確地描述電磁波的性能。集總模型直流模型

18、 最后，當(dāng)電路進(jìn)入“直流模型”的環(huán)境時(shí)，只需一個(gè)電阻或者一個(gè)零延遲時(shí)間的導(dǎo)線就足以代表電磁波的性能。 4.直流系統(tǒng)中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪27第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四四種電性等效系統(tǒng) 四種電性等效模型的分類與電磁波的波長(zhǎng)（或信號(hào)的上升時(shí)間）相關(guān)，也與系統(tǒng)的幾何尺寸相關(guān)。幾何結(jié)構(gòu)尺寸越小者越不容易進(jìn)入“分布模型”領(lǐng)域，而尺寸越大者，例如印刷電路板，只要信號(hào)的上升時(shí)間小于10ns就會(huì)進(jìn)入“分布模型”領(lǐng)域。而尺寸小者如芯片，上升時(shí)間低于0.2ns以內(nèi)才會(huì)進(jìn)入“分布模型”領(lǐng)域。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪28第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期

19、四二. 集總系統(tǒng)與分布系統(tǒng) 一個(gè)導(dǎo)體系統(tǒng)（主要指無(wú)源網(wǎng)絡(luò)），若系統(tǒng)的物理尺寸足夠小，以至于當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，其上所有點(diǎn)同時(shí)達(dá)到相同的電位，則該系統(tǒng)被稱為集中系統(tǒng)（Lumped System）。反之，則稱為分布系統(tǒng)（Distributed System）。 圖中右側(cè)1英寸連線的例子表明：對(duì)于同樣的1ns上升沿，1英寸連線呈現(xiàn)為一個(gè)集中系統(tǒng)，在所有時(shí)間點(diǎn)上，線上各部分電壓基本上是相同的。 圖中左側(cè)描述了一個(gè)10英寸長(zhǎng)印刷電路板連線上的電信號(hào)的電位分布。圖中，一個(gè)1ns上升時(shí)間寬度的信號(hào)從左邊輸入。當(dāng)脈沖信號(hào)沿著連線傳輸時(shí)，可以看出，線上所有各點(diǎn)的電位并不是相同的。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)是沿著連線分布

20、的，因而被稱為分布系統(tǒng)。圖中還給出了0，1，2，3和4ns各點(diǎn)的電位分布。從4ns時(shí)電位分布圖中可以看出，1ns上升時(shí)間的等效長(zhǎng)度為5.6in。重新定義：中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪29第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四電子學(xué)等效長(zhǎng)度 任何導(dǎo)體系統(tǒng)對(duì)于輸入信號(hào)的響應(yīng)極大地取決于該系統(tǒng)的尺寸是否小于輸入信號(hào)中最快電特性的電子學(xué)等效長(zhǎng)度。 廣義地講，電子學(xué)等效長(zhǎng)度指的是信號(hào)中某電特征在導(dǎo)體中傳輸時(shí)所占有的物理長(zhǎng)度。對(duì)于數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)：“0”到“1”和“1”到“0”的跳變（tr和tf）是其最關(guān)鍵的變化，表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而且也是數(shù)字信號(hào)中最快的電特征。所以，通常人們把數(shù)字信號(hào)的上

21、升時(shí)間的等效電子學(xué)長(zhǎng)度稱為該信號(hào)的電子學(xué)等效長(zhǎng)度。 電特性（如上升時(shí)間）的電子學(xué)等效長(zhǎng)度，與兩個(gè)因素有關(guān)：電特性的時(shí)間寬度和它的單位傳輸延遲時(shí)間。我們有：這里： tr：上升時(shí)間。單位：（ps）。 td：?jiǎn)挝粋鬏斞舆t時(shí)間。單位：（ps/in）。其物理意義：上升時(shí)間在導(dǎo)體中傳輸時(shí)所占有的物理長(zhǎng)度。例: 10KHECL電路的上升時(shí)間大約為1.0ns。設(shè)信號(hào)在FR-4印刷電路板內(nèi)層傳輸，其 單位傳輸延遲時(shí)間為180ps/in，則電子學(xué)等效長(zhǎng)度為：l = 1000/180 = 5.6in。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪30第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四判定依據(jù): 判定一個(gè)導(dǎo)體系

22、統(tǒng)是集中系統(tǒng)還是分布系統(tǒng)的依據(jù)與兩個(gè)因素有關(guān)：信號(hào)的電子學(xué)等效長(zhǎng)度和系統(tǒng)的物理尺寸。 當(dāng)輸入信號(hào)一定時(shí)（上升時(shí)間），大物理尺寸的系統(tǒng)是分布系統(tǒng)；而小物理尺寸的系統(tǒng)則可能是集中系統(tǒng)，反之依然。 通常是用系統(tǒng)物理尺寸和信號(hào)上升時(shí)間的比值來(lái)進(jìn)行衡量。最方便的方法是用信號(hào)的電子學(xué)等效長(zhǎng)度與該系統(tǒng)的實(shí)際物理尺寸相比較。 系統(tǒng)物理尺寸小于 則可以認(rèn)為是集中系統(tǒng)；反之為分布系統(tǒng)。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪31第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四要點(diǎn) 電子學(xué)等效長(zhǎng)度： 電路尺寸小于 則可以認(rèn)為是集中系統(tǒng)；反之為分布系統(tǒng)。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪32第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月2

23、0日，8點(diǎn)39分，星期四傳輸線與阻抗匹配中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪33第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四傳輸線的物理模型平行雙線及其等效電路 傳輸線的物理模型 為了研究信號(hào)在傳輸在線隨時(shí)間、位置變化時(shí)的變化情形，即u(x,t)和i(t,x)的變化規(guī)律。我們以平行雙線為例引入分布參數(shù)的概念，求解傳輸線上的電壓和電流變化規(guī)律所滿足的方程：電報(bào)方程。 選取一小段平行雙線的進(jìn)行研究。小段 的長(zhǎng)度為x,如右圖所示。雖然傳輸線是一個(gè)分布系數(shù)系統(tǒng), 但我們?nèi)韵扔靡粋€(gè)集中參數(shù)的模型來(lái)描述。 顯然, x越小, 就越接近傳輸線的實(shí)際情況。當(dāng)x0時(shí), 該模型就逼近真實(shí)的分布參數(shù)系統(tǒng)。 傳輸

24、線是由無(wú)數(shù)個(gè)這樣的小段組成的。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪34第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四傳輸線的電報(bào)方程 選取傳輸線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，即X=0，分析距原點(diǎn)為X到X+x處的情況:： L: 單位長(zhǎng)度上的分布電感， R: 單位長(zhǎng)度上的分布電阻， C: 單位長(zhǎng)度上的分布電容， G: 單位長(zhǎng)度上的分布電導(dǎo)(介質(zhì)漏電引起) 在X處的電壓為u(t,x)，電流為i(t,x),而X+x處的電壓則為u(t,X+x),電流則為i(t,X+x) (注意: 此處電壓u 及電流i是時(shí)間(t)和位置(x)的二元函數(shù))，根據(jù)克?；舴蚨桑瑥膫鬏斁€的x到x+x段，應(yīng)有：平行雙線及其等效電路 中國(guó)科

25、大 快電子學(xué) 安琪35第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四理想傳輸線 下面的討論, 我們以理想導(dǎo)線來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化上述方程。 假定導(dǎo)線是無(wú)損耗線, 既忽略耗能元件電阻和電導(dǎo)的作用，只考慮儲(chǔ)能元件電容和電感的作用，因而有: R=0, G=0。 假定導(dǎo)線在各點(diǎn)是均勻的。 這時(shí), 傳輸線等效電路可簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)損耗線等效電路。平行雙線及其等效電路 無(wú)損耗線等效電路 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪36第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四雙曲線方程 對(duì)于理想傳輸線，當(dāng)忽略耗能元件電阻和電導(dǎo)的作用時(shí)（R=0, G=0），方程（2.2.4）和（2.2.5）就簡(jiǎn)化為雙曲

26、線方程。 從數(shù)學(xué)上講，這是一維波動(dòng)方程，也可稱為雙曲型方程。要解這組方程，還必須給出具體的初始條件和邊界條件。 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪37第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四 入射波和反射波 傳輸速率： 特性阻抗： 反射系數(shù)： 終端匹配： ZC=ZL 幾個(gè)重要的結(jié)論中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪38第38頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四終端失配 終端短路 電壓波 當(dāng)電壓波傳到終端后，反射系數(shù)為1，所以將在終端全部反射，而相位與入射電壓相差，即反向全反射。 電流波 電流波也在終端發(fā)生全反射，但相位不變，是正向全反射。 設(shè)輸入是幅度為+E的階躍電壓，則

27、方程解 變?yōu)?xxxxxxxxu(x,t)i(x,t)u(t,l)i(t,l)tttdtdllllllt l/vt = l/vl/v t 2l/vt = 2l/v1/Zcll1/21/21/21/2-1/21/2Zc-1/2Zc1/2Zc1/2Zc1/2Zcu(t,0)2tD1/2ti(t,0)2tD1/2Zct1/Zc中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪39第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四 終端開(kāi)路 電壓波 當(dāng)電壓波傳到終端后，反射系數(shù)為-1，同樣將在終端全部反射，但相位與入射電壓相同，即正向全反射。 電流波 電流波也在終端發(fā)生全反射，但相位相反，是反向全反射。 設(shè)輸入是幅

28、度為+E的階躍電壓，則方程解變?yōu)?xxxxu(x,t)ttdt l/vt = l/vl/v t 2l/vt = 2l/v1xxxxi(x,t)ttdllllllll1/21/21/21/2-1/21/2Zc1/2Zc1/2Zc-1/2Zc-1/2Zcu(t,l)i(t,l)t2td1tu(t,0)i(t,0)2td1/2Zc中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪40第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四 Zc Zl 的一般情況 Zc Zl 時(shí)，又可分為二種情形： 電壓波是同相反射，但反射的電壓幅度小于1。電流波是反相反射，但反射的電流幅度也小于1。 Zc Zl 電壓波是反相反射，但反

29、射電壓幅度小于1。電流波是同相反射，反射的電流幅度也小于1。 0 Zl Zc兩種情況下，反射系數(shù)的絕對(duì)值都小于1，即： 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪41第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四實(shí)際的多次反射舉例中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪42第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四傳輸線匹配方法一.串聯(lián)匹配 串聯(lián)匹配方法是在驅(qū)動(dòng)門電路輸出端與傳輸線輸入端之間串入一個(gè)小電阻RS，使得RS的阻值加上驅(qū)動(dòng)門電路的輸出阻抗r0阻值等于特性阻抗ZC的阻滯。右圖顯示的是一個(gè)ECL電路的串聯(lián)匹配電路，其方法對(duì)其他數(shù)字邏輯電路也是適用的。 RE是下拉電阻，一般應(yīng)大大于RS。

30、串聯(lián)匹配方法的基本考慮是要求始端匹配。所以從B點(diǎn)向A點(diǎn)處看的等效電阻應(yīng)等于特性阻抗Zc，因此，要求電阻應(yīng)滿足: 其中r0是門電路的輸出阻抗，大約為7(10K 系列)。而在終端C點(diǎn)，由于一般集成門電路的輸入阻抗都較高，可看成開(kāi)路。設(shè)ZC=75 ，ECL10K系列集成電路的輸出阻抗為7，輸入阻抗為50K，則有： RS = 75-7 = 68中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪43第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四二.并聯(lián)匹配 并聯(lián)匹配是最簡(jiǎn)單，最常用的匹配方法，它是在連線的終端處采用阻值等于傳輸線特性阻抗的并聯(lián)電阻進(jìn)行匹配。對(duì)于ECL電路，并聯(lián)匹配電阻的另一端接VEE或VTT，該匹

31、配電阻同時(shí)起著ECL門電路射極下拉電阻的作用。對(duì)于PECL和COMS電路，并聯(lián)匹配電阻的另一端一般接地。如下圖(a)所示。 設(shè)一個(gè)電壓信號(hào)被前級(jí)電路輸出時(shí)，其信號(hào)波形如下圖（b）的波形A所示。該信號(hào)沿傳輸線傳輸，經(jīng)過(guò)TD時(shí)間后到達(dá)傳輸線終端，由于終端負(fù)載電阻等于傳輸線的特性阻抗，反射系數(shù)為零，沒(méi)有反射信號(hào)產(chǎn)生。圖2-6-2（b）的波形B是傳輸線的終端信號(hào)。由圖可以看出，終端信號(hào)只是一個(gè)延遲了TD時(shí)間的輸入信號(hào)，在完全匹配的條件下，信號(hào)沒(méi)有反射，因而也沒(méi)有失真。 （a） (b) 并聯(lián)匹配方法 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪44第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四三.戴維寧等效

32、并聯(lián)匹配 為了減少并聯(lián)匹配方法的功耗，一個(gè)可選擇的方法是采用所謂的戴維寧等效電阻。戴維寧等效方法是采用兩個(gè)電阻，一個(gè)接VCC（對(duì)ECL電路，就是接地），另一個(gè)接電源VEE，選擇適當(dāng)?shù)淖柚?，使兩個(gè)電阻的并聯(lián)阻值等于傳輸線的特性阻抗，而其戴維寧等效電壓等于VTT，如下圖所示。戴維寧等效方法的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)中只使用VEE電源，并且功耗比使用單個(gè)電阻作并聯(lián)匹配時(shí)要小，適合于連線特性阻抗較?。ㄈ?0）的系統(tǒng)，代價(jià)是多用一倍的電阻。使用戴維寧等效原理，圖（a）的電路可用圖（b）中的等效電路所替代，其中： （a） (b) ECL電路的戴維寧并聯(lián)匹配方法 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪45第45頁(yè)，共52頁(yè)，202

33、2年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四四.交流并聯(lián)匹配 交流匹配也可以稱為RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)匹配。這也是一種終端并聯(lián)匹配方法，其原理如下圖所示。 RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)匹配是在終端處用一個(gè)電容和一個(gè)電阻的串聯(lián)對(duì)傳輸線的特性阻抗進(jìn)行匹配。其最大的特點(diǎn)是利用串聯(lián)的電容割斷信號(hào)直流成分的信道，減少匹配阻抗對(duì)前級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)要求。這非常適合低特性阻抗傳輸線的匹配。 對(duì)信號(hào)的高頻成分，串聯(lián)電容呈短路狀態(tài)，終端電阻主要由串聯(lián)的電阻形成；對(duì)信號(hào)的直流成分，電容的容抗很大，相當(dāng)于終端有一個(gè)很大的端接電阻。而對(duì)連線的傳輸線效應(yīng)來(lái)說(shuō)，正是信號(hào)的前、后沿這樣的高頻成分才真正有意義。對(duì)直流成分可不考慮傳輸線效應(yīng)的影響。交流并聯(lián)匹配方法中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪46第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)39分，星期四五.總線匹配 1.總線的信號(hào)傳輸特點(diǎn) 這里的總線一般指的是所謂的共享總線（Shared Bus），下圖是一個(gè)共享總線的原理示意圖。在共享總線中，信號(hào)的傳輸有以下特點(diǎn)： 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)接收器。 信號(hào)傳輸?shù)姆较蚩赡苁请p向的。 驅(qū)動(dòng)器和接收器的位置都是任意的，可以是總線上的任一個(gè)位置。 總線兩端端接方法 VTT.VTT100100Zc = 100 在總線兩端都進(jìn)行 終端的并聯(lián)匹配。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪47第47頁(yè)，