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1、高速数字系统设计高速数字系统设计高速数字系统设计高速数字系统设计2011年年2月月24日日年年 月月日日课程章节课程章节第一章：基础知识第一章：基础知识第二章第二章传输线理论及应用传输线理论及应用第二章第二章：传输线理论及应用传输线理论及应用第三章：逻辑门电路的高速特性第三章：逻辑门电路的高速特性第四章：测量技术第四章：测量技术第五章第五章串扰与多层串扰与多层PCB板分层考虑板分层考虑第五章第五章：串扰与多层串扰与多层PCB板分层考虑板分层考虑第六章：电源与地系统第六章：电源与地系统第七章：时钟技术第七章：时钟技术2011/2/24中国科技大学 快电子学 安琪2第一章基本知识第一章基本知识1-
2、1 信号与信号完整性（信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间频率与时间1-3 时间与距离时间与距离1-4 集总系统与分布系统集总系统与分布系统1-5 -3dB频率与上升时间频率与上升时间1-6 四种电抗四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻高速数字系统中的电阻、电容和电感元件电容和电感元件高速数字系统中的电阻高速数字系统中的电阻电容和电感元件电容和电感元件中国科大 快电子学 安琪31-1 信号与信号完整性（信号与信号完整性（Signal Integrity）信号信号信号信号：“信号”是一个使用非常广泛的名词。从信息论的观点出发，信号是信息的一种 物理体现，或者说：
3、信号是信息的载体。“信号”是一个使用非常广泛的名词。从信息论的观点出发，信号是信息的一种 物理体现，或者说：信号是信息的载体。广义而言：广义而言：信号被定义为一个随时间（和位置）变化的物理量。信号被定义为一个随时间（和位置）变化的物理量。模拟信号模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号的幅度值可以取连续范围的任意 数值。简单地讲：是指：在规定的连续时间范围内，信号的幅度值可以取连续范围的任意 数值。简单地讲：是指时间和幅度均是连续的物理量时间和幅度均是连续的物理量。数字信号数字信号在时间和幅度上都量化后取得的信号在时间和幅度上都量化后取得的信号它是以某种时间间隔依次它是以某种时间间隔依次数字信号
4、数字信号：在时间和幅度上都量化后取得的信号在时间和幅度上都量化后取得的信号。它是以某种时间间隔依次它是以某种时间间隔依次 出现的数字序列。简单地讲：是出现的数字序列。简单地讲：是指时间和幅度均是离散的物理量指时间和幅度均是离散的物理量。模拟信号数字信号模拟信号数字信号A/DD/A中国科大 快电子学 安琪4分析方法：时域和频域分析方法：时域和频域时域分析方法时域分析方法时域分析方法时域分析方法：用两维空间内的函数作为信号的数学模型用两维空间内的函数作为信号的数学模型即时间即时间用两维空间内的函数作为信号的数学模型用两维空间内的函数作为信号的数学模型，即时间即时间 变量变量 t 和幅度变量和幅度变
5、量f(t)（电压、电流或功率）。（电压、电流或功率）。X轴是时轴是时 间变量间变量，Y轴是表示物理量的幅度变量轴是表示物理量的幅度变量。间变量间变量，Y轴是表示物理量的幅度变量轴是表示物理量的幅度变量。t f(t)时域是真实存在的域时域是真实存在的域，是是时域是真实存在的域时域是真实存在的域，是是 可以实际感知的域。可以实际感知的域。中国科大 快电子学 安琪5频域分析方法频域分析方法频域分析方法频域分析方法所谓的频域分析，仍然用两维空间内的函数作为模拟信号的数学模所谓的频域分析，仍然用两维空间内的函数作为模拟信号的数学模 型型描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度描述模拟信号的两个最基本参数
6、是频率和幅度采用频率变量采用频率变量（f）型型，描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度描述模拟信号的两个最基本参数是频率和幅度。采用频率变量采用频率变量（f） 代替时间变量（代替时间变量（t），幅度变量（电压、电流和功率），幅度变量（电压、电流和功率: G(f)）是频率的函 数。）是频率的函 数。X轴是频率变量，轴是频率变量，Y轴是表示物理量的幅度变量。轴是表示物理量的幅度变量。正弦波是频域中唯一存在的波形，其特征：正弦波是频域中唯一存在的波形，其特征：? 频率；频率；? 幅度；幅度；? 相位相位中国科大 快电子学 安琪6时域时域-频域的关系频域的关系dtetfgtj=)()(傅立叶变换傅立
7、叶变换时域频域 )(tf傅立叶反变换傅立叶反变换)(gdegtftj=)()(从频谱分析的角度上看从频谱分析的角度上看时域中的任何信号时域中的任何信号 都可以用若干个不同频都可以用若干个不同频从频谱分析的角度上看从频谱分析的角度上看，时域中的任何信号时域中的任何信号, 都可以用若干个不同频都可以用若干个不同频 率，不同幅度的正弦波信号叠加来表示。率，不同幅度的正弦波信号叠加来表示。=)()(Vfgti中国科大 快电子学 安琪7时域与频域：例时域与频域：例1中国科大 快电子学 安琪8时域与频域：例时域与频域：例2中国科大 快电子学 安琪9时域与频域：例时域与频域：例3中国科大 快电子学 安琪10
8、数字信号数字信号一一. 数字信号数字信号1. 理想的数字信号（二值函数）理想的数字信号（二值函数）=+ 101)(ttttV数学模型数学模型1：“0” 电平“1” 电平“0” 电平“1” 电平=0)(tV其它时间理想数字信号波形理想数字信号波形 数学模型数学模型1t0t1t0t1数学模型数学模型数学模型数学模型2： + 030ttt tt“1” 电平“1” 电平=+10021323)(1)()(tttttttttttttttVr “0” 电平“1” 电平t0t1t3t2“0” 电平“1” 电平t0t1t3t232)(ttttf 理想数字信号波形理想数字信号波形 数学模型数学模型2 式中：式中：
9、tr= t1- t0,tf= t3 t2t0t1t3t2t0t1t3t2中国科大 快电子学 安琪11数学模型数学模型2脉冲信号脉冲信号ECL/PECL信号的上升沿定义：信号的上升沿定义：20% 80%；下降沿：；下降沿：80% 20%中国科大 快电子学 安琪12理想方波的频谱理想方波的频谱理想方波的频谱理想方波的频谱理想方波理想方波理想方波理想方波：对应着数学模型：对应着数学模型1 占空比为占空比为50占空比为占空比为50? 所有偶次谐波的幅度为所有偶次谐波的幅度为傅立0，只有奇次谐波。，只有奇次谐波。? 谐波的幅度为谐波的幅度为An2/n ? 1次谐波为基波次谐波为基波:1/T立叶变换? 1
10、次谐波为基波次谐波为基波:1/T? 零次谐波就是直流分量零次谐波就是直流分量? 理想方波的频谱中的频理想方波的频谱中的频? 理想方波的频谱中的频理想方波的频谱中的频 率分量可以延伸到无穷 远，即频宽无穷。率分量可以延伸到无穷 远，即频宽无穷。时域和频域中的理想方波时域和频域中的理想方波中国科大 快电子学 安琪13时域和频域中的理想方波时域和频域中的理想方波有上升时间方波的频谱有上升时间方波的频谱有有限限上升时间方波的频谱上升时间方波的频谱近似对应着数学模型近似对应着数学模型2：? 奇偶次谐波均有奇偶次谐波均有? 奇偶次谐波均有奇偶次谐波均有? 1次谐波是基波次谐波是基波? 零次谐波为直流分量零
11、次谐波为直流分量? 零次谐波为直流分量零次谐波为直流分量? 频谱中的频率分量是有频谱中的频率分量是有 限的限的，即频带为有限宽即频带为有限宽。限的限的，即频带为有限宽即频带为有限宽。中国科大 快电子学 安琪14两种模型的频谱比较两种模型的频谱比较两种模型的频谱比较两种模型的频谱比较频带频带有限带宽有限带宽模型模型1 模型模型2 （理想方波）（有限上升时间）（理想方波）（有限上升时间）频带频带 有限带宽有限带宽1次谐波次谐波 0.64 0.633次谐波次谐波 0.22 0.183次谐波次谐波0085次谐波次谐波 0.13 0.087次谐波次谐波 0.09 0.03? 有限上升时间的方波，其谐波分
12、量的 幅度比理想方波的对应分量下降的更有限上升时间的方波，其谐波分量的 幅度比理想方波的对应分量下降的更 快快有限带宽有限带宽快快，有限带宽有限带宽。? 方波的上升时间越大，其相应谐波分 量的幅度下降越快，带宽越窄。方波的上升时间越大，其相应谐波分 量的幅度下降越快，带宽越窄。中国科大 快电子学 安琪15实的数字信号实的数字信号2. 实实际际的数字信号的数字信号90%V90%V10%VH minVL maxVth50%10%VH minVL maxVth50%trtftrtf参数定义：参数定义：上升时间（上升时间（tr）:）:数字信号上升沿中对应满幅度电压的数字信号上升沿中对应满幅度电压的10
13、% 90%处的时间处的时间 间隔间隔。间隔间隔 下降时间（下降时间（tf）:）:数字信号下降沿中对应满幅度电压的数字信号下降沿中对应满幅度电压的90% 10%处的时间 间隔。处的时间 间隔。中国科大 快电子学 安琪16参数定义参数定义：参数定义参数定义：90% VH minVth50%90% VH minVth50%10%VL maxVth50%10%VL maxVth50%trtftrtf 上冲（上冲（Overshoot） 上冲上冲又被称为又被称为过冲过冲。顾名思义，它指的是沿着信号边沿的跳变方向，信号波形中超出稳定的“。顾名思义，它指的是沿着信号边沿的跳变方向，信号波形中超出稳定的“1”或
14、 “或 “0”状态电平的部分状态电平的部分。0 状态电平的部分状态电平的部分。 对于上升沿，这应是从“对于上升沿，这应是从“0”到“到“1”的跳变，在高电平处的跳变，在高电平处高于高于逻辑电平“逻辑电平“1” 稳定电压值的部分。 对于下降沿，这应是从“稳定电压值的部分。 对于下降沿，这应是从“1”到“到“0”的跳变，在低电平处的跳变，在低电平处低于低于逻辑电平“逻辑电平“0” 电压稳定值的部分。电压稳定值的部分。下冲下冲（Undershoot）下冲下冲（Undershoot） 下冲下冲又被称为又被称为反冲反冲。它指的是信号在过冲后，又沿着跳变方向的反方向，信号波形越过稳定的“。它指的是信号在过
15、冲后，又沿着跳变方向的反方向，信号波形越过稳定的“1”或“或“0” 状态电平的部分。 对于上升沿，即：从“状态电平的部分。 对于上升沿，即：从“0”到“到“1”的跳变，信号上冲后，反过来又的跳变，信号上冲后，反过来又低于低于逻辑电平“逻辑电平“1” 的稳定电压值的部分。的稳定电压值的部分。 对于下降沿对于下降沿即即从从“1”到到“0”的跳变的跳变信号过冲后信号过冲后反过来又反过来又高高于于逻辑电平逻辑电平“0”的电压稳定值的部分的电压稳定值的部分对于下降沿对于下降沿，即即：从从1”到到0”的跳变的跳变，信号过冲后信号过冲后，反过来又反过来又高高于于逻辑电平逻辑电平0”的电压稳定值的部分的电压稳定值的部分。振铃 （振铃 （Ring） 信号发生连续多次的上冲和下冲，所形成的震荡。一般其振幅应是一次比一次小，逐渐趋于零。信号发生连续多次的上冲和下冲，所形成的震荡。一般其振幅应是一次比一次小，逐渐趋于零。中国科大 快电子学 安琪1790% VH minV50%90% VH minV50%10%VL maxVth50%10%VL maxVth50%噪声容限：（噪声容限：（Noise Margin）trtftrtf噪声容限是量度逻辑电路在最坏工作条件下抗干扰能力的直流电压指标噪声容限是量度逻辑电路在最坏工作条件下
