信号完整性培训讲稿.ppt

关于信号完整性培训中国科大 快电子学 安琪1第一页，讲稿共五十二页哦第一讲第一讲 几个基本概念几个基本概念 电源与地系统电源与地系统中国科大 快电子学 安琪2第二页，讲稿共五十二页哦一一.几个基本概念几个基本概念 信号完整性（信号完整性（Signal Integrity）膝频率膝频率fKnee与上升时间与上升时间tr 集总系统与分布系统集总系统与分布系统 传输线与阻抗匹配传输线与阻抗匹配中国科大 快电子学 安琪3第三页，讲稿共五十二页哦信号完整性信号完整性（Signal Integrity）中国科大 快电子学 安琪4第四页，讲稿共五十二页哦一一.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）数学模型数学模型2：数学模型数学模型1：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 理想数字信号波形理想数字信号波形数学模型数学模型1式中：式中：tr=t1-t0,tf=t3t2中国科大 快电子学 安琪5第五页，讲稿共五十二页哦2.实际的数字信号实际的数字信号上升时间（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%90%处的时间处的时间 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%处的时间处的时间 间隔。间隔。参数定义：参数定义：中国科大 快电子学 安琪6第六页，讲稿共五十二页哦参数定义：参数定义：trtf10%90%VH minVL maxVth50%trtf10%90%VH minVL maxVth50%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”或或“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，在高电平处高于逻辑电平的跳变，在高电平处高于逻辑电平“1”稳定电压值的部分。稳定电压值的部分。对于下降沿，这应是从对于下降沿，这应是从“1”到到“0”的跳变，在低电平处低于逻辑电平的跳变，在低电平处低于逻辑电平“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。状态电平的部分。对于上升沿，即：从对于上升沿，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，反过来又低低于逻辑电平于逻辑电平“1”的稳定电压值的部分。的稳定电压值的部分。对于下降沿，即：从对于下降沿，即：从“1”到到“0”的跳变，信号过冲后，反过来又的跳变，信号过冲后，反过来又高高于逻辑电平于逻辑电平“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7第七页，讲稿共五十二页哦噪声容限：（噪声容限：（NoiseMargin）噪噪声声容容限限是是量量度度逻逻辑辑电电路路在在最最坏坏工工作作条条件件下下的的抗抗干干扰扰能能力力的的直直流流电电压压指指标标,它它规规定定了了数数字字电电路路在在稳稳定定状状态态时时允允许许的的最最大大噪噪声声。该该参参数数定定义义为为:最最差差输输入入逻逻辑辑电电平平值值(VIHmin或或VILmax)与与在在这这种种输输入入条条件件下下所所能能保保证证的的最最差差输输出出逻逻辑电平值辑电平值(VOHmin或或VOLmax)之差之差,即即:这里有两个噪声容限定义：这里有两个噪声容限定义：NMNMH H表示表示高电平状态时的噪声容限高电平状态时的噪声容限,NMNML L表示表示低电平状态时的噪声容限低电平状态时的噪声容限。10%90%VH minVL maxVth50%10%90%VH minVL maxVth50%trtf中国科大 快电子学 安琪8第八页，讲稿共五十二页哦二二.信号完整性信号完整性 信号完整性涉及到两个方面：信号波形的完整性和时序的完整性信号完整性涉及到两个方面：信号波形的完整性和时序的完整性。信号波形的完整性：信号波形的完整性：经经常常提提及及的的术术语语是是上上述述的的五五个个基基本本概概念念，这这就就是是：信信号号的的上上升升时时间间（t tr r）和和下下降降时时间间（t tf f），波波形形的的上上冲冲（OvershootOvershoot），下下冲冲（UndershootUndershoot）和和振振铃铃 （RingRing）。以以及及接接收收端端的的信信号号还还存存在在多大的噪声容限（多大的噪声容限（Noise MarginNoise Margin)。信号完整性讨论是为了确保可信的高速数据传输。在高速数字系统设计时，人们经常会问到这样信号完整性讨论是为了确保可信的高速数据传输。在高速数字系统设计时，人们经常会问到这样的问题：传输到目的地的信号是否如同人们所预期的那样？或者说：当信号到达时是否处于良好的状的问题：传输到目的地的信号是否如同人们所预期的那样？或者说：当信号到达时是否处于良好的状态？态？中国科大 快电子学 安琪9第九页，讲稿共五十二页哦时序的完整性时序的完整性 时时序序完完整整性性主主要要关关注注的的是是同同步步时时序序方方程程是是否否能能满满足足。经经常常涉涉及及到到是是时时序序偏偏差差（SkewSkew）和和抖抖动动(Jitter)(Jitter)的概念。的概念。建立方程：建立方程：保持方程：保持方程：中国科大 快电子学 安琪10第十页，讲稿共五十二页哦时序偏差时序偏差时序信号的理想时序信号的理想“沿变沿变”和实际上的和实际上的“沿变沿变”之差。之差。在实际系统中，造成时序信号的在实际系统中，造成时序信号的“沿变沿变”与理想与理想“沿变沿变”存在着差别的一个主要原存在着差别的一个主要原因是因为逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着差别。因此，人们也常直观地将时因是因为逻辑器件的信号传输延迟时间上存在着差别。因此，人们也常直观地将时序偏差定义为器件输出时序信号的传输延迟之差。序偏差定义为器件输出时序信号的传输延迟之差。InOut1Out2InOut1Out2中国科大 快电子学 安琪11第十一页，讲稿共五十二页哦两类时序偏差两类时序偏差 从更广义的角度出发，由于器件之间连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引起时从更广义的角度出发，由于器件之间连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引起时序信号的实际序信号的实际“沿变沿变”与理想的与理想的“沿变沿变”不同。因此可以将时序偏差分为两类：不同。因此可以将时序偏差分为两类：内部时序偏差（内部时序偏差（Intrinsic Skew）：）：由逻辑器件内部产生的，表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。由逻辑器件内部产生的，表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。外部时序偏差（外部时序偏差（Extrinsic Skew）：）：由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别。由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别。中国科大 快电子学 安琪12第十二页，讲稿共五十二页哦时序抖动时序抖动 当实际信号的边沿与理想时序边沿的当实际信号的边沿与理想时序边沿的偏离偏离由于受某种因素（如噪声、串扰、电源电压变化等）不断发生变化时，由于受某种因素（如噪声、串扰、电源电压变化等）不断发生变化时，而且这种变化是随机的，这种现象就是我们常说的时序抖动，或者说时序晃动。这种偏离相对于理想位置可能而且这种变化是随机的，这种现象就是我们常说的时序抖动，或者说时序晃动。这种偏离相对于理想位置可能是超前，也可能是滞后的，时序抖动的数值表示通常有两种：是超前，也可能是滞后的，时序抖动的数值表示通常有两种：j 时钟抖动的最大值，即：峰时钟抖动的最大值，即：峰-峰值（峰值（Peak-Peak），单位一般为皮秒，常用），单位一般为皮秒，常用 ps来表示。来表示。时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（），单位一般也为皮秒（），单位一般也为皮秒（ps）。）。数字信号的边沿抖动，对系统的影响可以认为是一种数字信号的边沿抖动，对系统的影响可以认为是一种动态行为动态行为，或者说其影响是随机的，对系统性能破，或者说其影响是随机的，对系统性能破坏更大，尤其是时钟信号的抖动，常常是制约高速数字系统性能的根本因素。坏更大，尤其是时钟信号的抖动，常常是制约高速数字系统性能的根本因素。中国科大 快电子学 安琪13第十三页，讲稿共五十二页哦时间容限（时间容限（Timing Margin）建立方程：建立方程：保持方程：保持方程：所有项目都考虑为最差情况，即考虑了时间容限，但然，也有为了更为保险，可以再加一所有项目都考虑为最差情况，即考虑了时间容限，但然，也有为了更为保险，可以再加一些时间容限，但在当前的高速电路，增加时间容限也是要付出代价的些时间容限，但在当前的高速电路，增加时间容限也是要付出代价的中国科大 快电子学 安琪14第十四页，讲稿共五十二页哦影响信号完整性的主要因素影响信号完整性的主要因素信号在传输线上的反射信号在传输线上的反射信号在传输过程中的串扰信号在传输过程中的串扰噪声（电源噪声，热噪声，地反弹噪声等）噪声（电源噪声，热噪声，地反弹噪声等）电磁辐射电磁辐射中国科大 快电子学 安琪15第十五页，讲稿共五十二页哦要点要点在高速数字系统设计时，实际的数字波形必须考虑。既：要保持在高速数字系统设计时，实际的数字波形必须考虑。既：要保持信号的完整性。信号的完整性。信号完整性涉及到两个方面：波形完整性和时序完整性。信号完整性涉及到两个方面：波形完整性和时序完整性。波形完整性要素：波形完整性要素：上升和下降时间上升和下降时间 上冲和下冲上冲和下冲 振铃振铃 噪声容限噪声容限 占空比占空比时序完整性要素：时序完整性要素：同步时序方程同步时序方程 时序偏差时序偏差 时序噪声时序噪声 时间容限时间容限中国科大 快电子学 安琪16第十六页，讲稿共五十二页哦膝频率（膝频率（fKnee）与与 上升时间（上升时间（tr）中国科大 快电子学 安琪17第十七页，讲稿共五十二页哦 考虑两个极端情况：考虑两个极端情况：1.一个频率为一个频率为 的正弦波的正弦波 波形变化一个周期需要波形变化一个周期需要3万年。若输入到万年。若输入到TTL电路，其输出电压电路，其输出电压 每天变化不到每天变化不到1 V。任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告 终。在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。终。在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。2.一个频率为一个频率为 的正弦波的正弦波 信号周期为信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。，数字电路根本无法响应这个频率的信号。一些电路参数发生变化。如地线的电阻由于趋肤效应由一些电路参数发生变化。如地线的电阻由于趋肤效应由0.01 （1KHz）变为）变为1，并且还获得并且还获得50 的感应电抗。的感应电抗。电电路路元元件件的的参参数数是是对对频频率率敏敏感感的的，在在不不同同的的频频率率范范围围内内会会表表现现出出来来不不同同的特性。任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。的特性。任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。中国科大 快电子学 安琪18第十八页，讲稿共五十二页哦到底多高的到底多高的频率频率 会影响到高速数字会影响到高速数字 电路的设计呢电路的设计呢？中国科大 快电子学 安琪19第十九页，讲稿共五十二页哦膝频率（膝频率（F FKneeKnee）DQ/QCPFclockRandom“1”or“0”时钟信号的上升、下降时间为时钟周期的时钟信号的上升、下降时间为时钟周期的1%。D触发器输出数字信号的特征与输入时钟类似。触发器输出数字信号的特征与输入时钟类似。一个实验一个实验中国科大 快电子学 安琪20第二十页，讲稿共五十二页哦频谱分析频谱分析 从频率从频率Fclcok到频率到频率Fknee，整个，整个输出输出 功率密度谱呈功率密度谱呈-20dB/decade的的斜率斜率 下降。下降。在在Fknee处附近，谱密度曲线开始快处附近，谱密度曲线开始快 速下降。速下降。拐点频率拐点频率Fknee的功率谱密度比正常的功率谱密度比正常 下降曲线低下降曲线低6.8dB。输出信号的能量主要集中在低于拐输出信号的能量主要集中在低于拐 点频率点频率Fknee的频率范围内。的频率范围内。将膝频率将膝频率Fknee频看作为数字信号的频看作为数字信号的 频率成分上限。频率成分上限。DQ/QCPFclockRandom“1”or“0”谱分析谱分析中国科大 快电子学 安琪21第二十一页，讲稿共五十二页哦膝频率与上升时间膝频率与上升时间 任何电路若对膝频率任何电路若对膝频率FKnee及其以下频率有平坦的响应曲线的话，那么信号通及其以下频率有平坦的响应曲线的话，那么信号通 过此电路不会失真。过此电路不会失真。数字电路对高于其数字电路对高于其FKnee以上的输入频率成分的响应不会影响到对正常的对应以上的输入频率成分的响应不会影响到对正常的对应 于低于于低于FKnee的数字信号的处理。的数字信号的处理。任何数字信号的膝频率只与数字信号的上升（任何数字信号的膝频率只与数字信号的上升（t tr r）和下降沿时间（）和下降沿时间（t tf f）有关，而与时钟速率）有关，而与时钟速率无关。无关。两个重要结论：两个重要结论：容易看出，上升沿时间越小，膝频率越大，上升沿时间越大，膝频率越小。任何数字信号重容易看出，上升沿时间越小，膝频率越大，上升沿时间越大，膝频率越小。任何数字信号重要的时域特性基本上都是由要的时域特性基本上都是由F FKneeKnee频率以及其以下的频率成分所决定。频率以及其以下的频率成分所决定。中国科大 快电子学 安琪22第二十二页，讲稿共五十二页哦集总系统与分布系统集总系统与分布系统中国科大 快电子学 安琪23第二十三页，讲稿共五十二页哦一一.信号传输的四种电性等效模型信号传输的四种电性等效模型 全波模型全波模型 分布模型（离散模型）分布模型（离散模型）集总模型集总模型 直流模型直流模型 中国科大 快电子学 安琪24第二十四页，讲稿共五十二页哦1.全波模型全波模型 理论：理论：“麦克斯威方程组麦克斯威方程组”。假设电磁波在一个无限大的平假设电磁波在一个无限大的平 面上行进：面上行进：电场指向电场指向x方向；方向；磁场指向磁场指向y方向；方向；整个电磁场往整个电磁场往z方向行进。方向行进。传播速度：光速，传播速度：光速，阻抗：电场对磁场的比值，在自由空间里为阻抗：电场对磁场的比值，在自由空间里为377。当平面波遇到一个高传导物体时，传播方向会随即发生变化。如果适当地调当平面波遇到一个高传导物体时，传播方向会随即发生变化。如果适当地调 整传播的物体，则平面波可以被导入到一个传输线里，这个我们称为整传播的物体，则平面波可以被导入到一个传输线里，这个我们称为“全波全波 模型模型”。选择选择“边界条件边界条件”用以代表实际物体的几何结构以及所使用的材料，来求解全用以代表实际物体的几何结构以及所使用的材料，来求解全 波模型的麦克斯威方程组。波模型的麦克斯威方程组。即使非常简单的结构体，方程组也很难解出。即使非常简单的结构体，方程组也很难解出。中国科大 快电子学 安琪25第二十五页，讲稿共五十二页哦2.2.分布系统分布系统 简化数学模型：简化数学模型：用用“电容电容”来描述电能来描述电能 用用“电感电感”来表示磁能，来表示磁能，用用“电阻电阻”来代表转换为热的能量损耗。来代表转换为热的能量损耗。这些元件被定义成没有实际尺寸，由无损和这些元件被定义成没有实际尺寸，由无损和 无延迟的导线将它们连接起来。无延迟的导线将它们连接起来。有了这些电路元件就不再需要麦克斯威方程有了这些电路元件就不再需要麦克斯威方程 组和边界条件，利用这些电路元件就可以来组和边界条件，利用这些电路元件就可以来 描述一个所谓的描述一个所谓的理想传输线理想传输线的结构。的结构。分布模型（离散模型）示意图分布模型（离散模型）示意图 基本的传输线结构如图所示，理想上，它是由无限多的基本的传输线结构如图所示，理想上，它是由无限多的RLCRLC网络所组成的，然而，为了计算的目的（特别是网络所组成的，然而，为了计算的目的（特别是为了时域的计算方便），我们通常选择有限个为了时域的计算方便），我们通常选择有限个RLCRLC网络来代表。网络来代表。其基本的假设是每个其基本的假设是每个RLCRLC网络的延迟时间远小网络的延迟时间远小于信号的波长或者上升时间于信号的波长或者上升时间。需要提醒的是，这种传输线模型仍然是用集总的元件来描述系统的，只不过这些元件是分布在整个系统中，并且是需要提醒的是，这种传输线模型仍然是用集总的元件来描述系统的，只不过这些元件是分布在整个系统中，并且是足够小。以至于足够小。以至于每个每个RLCRLC网络的延迟时间远小于信号的波长或者上升时间。网络的延迟时间远小于信号的波长或者上升时间。我们称这种传输线模型为我们称这种传输线模型为“分布分布模型模型”。在分布模型。在分布模型”中，我们使用了许多分布元件来描述电波传输的性能。中，我们使用了许多分布元件来描述电波传输的性能。中国科大 快电子学 安琪26第二十六页，讲稿共五十二页哦3.3.集总系统集总系统 如如果果传传输输线线的的整整体体传传输输延延迟迟时时间间较较信信号号的的上上升升时时间间来来的的短短的的话话，则则只只需需要要一一个个RLCRLC网网络络或或是是RCRC网网络络就就可可以以代代表表整整个个电电磁磁波波的的性性能能，我我们们称称它它为为“集集总总模模型型”。在在集集总总模模型型的的环环境境里里，电电磁磁波波的的波波长长会会远远大大于于电电路路的的物物理理尺尺寸寸，所所以以，可可以以将将分分布布的的一一些些小小的的电电路路元元件件集集总总起起来来就就可可以以精精确确地地描描述述电电磁波的性能。磁波的性能。集总模型集总模型直流模型直流模型 最后，当电路进入最后，当电路进入“直流模型直流模型”的环境时，的环境时，只需一个电阻或者一个零延迟时间的导线就足以代表电只需一个电阻或者一个零延迟时间的导线就足以代表电磁波的性能。磁波的性能。4.4.直流系统直流系统中国科大 快电子学 安琪27第二十七页，讲稿共五十二页哦四种电性等效系统四种电性等效系统 四四种种电电性性等等效效模模型型的的分分类类与与电电磁磁波波的的波波长长（或或信信号号的的上上升升时时间间）相相关关，也也与与系系统统的的几几何何尺尺寸寸相相关关。几几何何结结构构尺尺寸寸越越小小者者越越不不容容易易进进入入“分分布布模模型型”领领域域，而而尺尺寸寸越越大大者者，例例如如印印刷刷电电路路板板，只只要要信信号号的的上上升升时时间间小小于于10ns就就会会进进入入“分分布布模模型型”领领域域。而而尺尺寸寸小小者者如如芯芯片片，上上升升时时间间低低于于0.2ns以以内内才才会会进进入入“分分布布模模型型”领域。领域。中国科大 快电子学 安琪28第二十八页，讲稿共五十二页哦二二.集总系统与分布系统集总系统与分布系统 一一个个导导体体系系统统（主主要要指指无无源源网网络络），若若系系统统的的物物理理尺尺寸寸足足够够小小，以以至至于于当当信信号号输输入入时时，其其上上所所有有点点同同时时达达到到相相同同的的电电位位，则则该该系系统统被被称称为为集集中中系系统统（LumpedSystem）。反反之之，则则称称为分布系统（为分布系统（Distributed SystemDistributed System）。）。图中右侧图中右侧1英寸连线的例子表明：对于同样的英寸连线的例子表明：对于同样的1ns上升沿，上升沿，1英寸连线呈现为一个集中系统，在所有时间点上，线上英寸连线呈现为一个集中系统，在所有时间点上，线上各部分电压基本上是相同的。各部分电压基本上是相同的。图图中中左左侧侧描描述述了了一一个个10英英寸寸长长印印刷刷电电路路板板连连线线上上的的电电信信号号的的电电位位分分布布。图图中中，一一个个1ns上上升升时时间间宽宽度度的的信信号号从从左左边边输输入入。当当脉脉冲冲信信号号沿沿着着连连线线传传输输时时，可可以以看看出出，线线上上所所有有各各点点的的电电位位并并不不是是相相同同的的。这这个个系系统统对对输输入入信信号号的的响响应应是是沿沿着着连连线线分分布布的的，因因而而被被称称为为分分布布系系统统。图图中中还还给给出出了了0，1，2，3和和4ns各各点点的的电电位位分分布布。从从4ns时时电电位位分分布布图图中中可可以以看看出，出，1ns上升时间的等效长度为上升时间的等效长度为5.6in。重新定义：重新定义：中国科大 快电子学 安琪29第二十九页，讲稿共五十二页哦电子学等效长度电子学等效长度 任何导体系统对于输入信号的响应极大地取决于该系统的尺寸是否小于输入信号中最快电特性的电子学任何导体系统对于输入信号的响应极大地取决于该系统的尺寸是否小于输入信号中最快电特性的电子学等效等效长度。长度。广义地讲，电子学广义地讲，电子学等效等效长度指的是信号中某电特征在导体中传输时所占有的物理长度。长度指的是信号中某电特征在导体中传输时所占有的物理长度。对于数字信号来说：对于数字信号来说：“0”到到“1”和和“1”到到“0”的跳变（的跳变（tr和和tf）是其最关键的变化，表示状态的转换，而且也是数字信号中最快）是其最关键的变化，表示状态的转换，而且也是数字信号中最快的电特征。所以，通常人们把数字信号的上升时间的等效电子学长度称为该信号的电子学的电特征。所以，通常人们把数字信号的上升时间的等效电子学长度称为该信号的电子学等效等效长度。长度。电电特特性性（如如上上升升时时间间）的的电电子子学学等等效效长长度度，与与两两个个因因素素有有关关：电电特特性性的的时时间间宽宽度度和和它它的的单单位位传传输延迟时间输延迟时间。我们有：。我们有：这里：这里：tr：上升时间。：上升时间。单位：（单位：（ps）。）。td：单位传输延迟时间。：单位传输延迟时间。单位：（单位：（ps/in）。）。其物理意义：上升时间在导体中传输时所占有的物理长度。其物理意义：上升时间在导体中传输时所占有的物理长度。例例:10KHECL电路的上升时间大约为电路的上升时间大约为1.0ns。设信号在。设信号在FR-4印刷电路板内层传输，其印刷电路板内层传输，其 单位传输延迟时间为单位传输延迟时间为180ps/in，则电子学，则电子学等效等效长度为：长度为：l =1000/180=5.6in=1000/180=5.6in。中国科大 快电子学 安琪30第三十页，讲稿共五十二页哦判定依据判定依据:判定一个导体系统是集中系统还是分布系统的依据与两个因素有关：判定一个导体系统是集中系统还是分布系统的依据与两个因素有关：信号信号的电子学等效长度的电子学等效长度和和系统的物理尺寸系统的物理尺寸。当输入信号一定时（上升时间），大物理尺寸的系统是分布系统；而小物理尺寸的系统则可当输入信号一定时（上升时间），大物理尺寸的系统是分布系统；而小物理尺寸的系统则可能是集中系统，反之依然。能是集中系统，反之依然。通常是用通常是用系统物理尺寸和信号上升时间的比值来进行衡量系统物理尺寸和信号上升时间的比值来进行衡量。最方便的方法是用信号的电子。最方便的方法是用信号的电子学学等效等效长度与该系统的实际物理尺寸相比较。长度与该系统的实际物理尺寸相比较。系统物理尺寸小于系统物理尺寸小于 则可以认为是则可以认为是集中系统集中系统；反之为；反之为分布系统分布系统。中国科大 快电子学 安琪31第三十一页，讲稿共五十二页哦要点要点电子学等效长度：电子学等效长度：电路尺寸小于电路尺寸小于 则可以认为是集中系统；反之为分布系统。则可以认为是集中系统；反之为分布系统。中国科大 快电子学 安琪32第三十二页，讲稿共五十二页哦传输线与阻抗匹配传输线与阻抗匹配中国科大 快电子学 安琪33第三十三页，讲稿共五十二页哦传输线的物理模型传输线的物理模型平行双线及其等效电路平行双线及其等效电路 传输线的物理模型传输线的物理模型 为为了了研研究究信信号号在在传传输输在在线线随随时时间间、位位置置变变化化时时的的变变化化情情形形，即即u(x,t)u(x,t)和和i(t,x)i(t,x)的的变变化化规规律律。我我们们以以平平行行双双线线为为例例引引入入分分布布参参数数的的概概念念，求求解解传传输输线线上上的的电电压压和和电电流流变变化化规规律律所所满满足足的的方程：方程：电报电报方程方程。选选取一小段平行双取一小段平行双线线的的进进行研究。小段行研究。小段 的的长长度度为为 x x,如如右右图图所示。所示。虽虽然然传输线传输线是一个分布系数是一个分布系数系系统统,但我但我们们仍先用一个集中参数的模型来描述仍先用一个集中参数的模型来描述。显显然然,x x越小越小,就越接近就越接近传输线传输线的的实际实际情况情况。当当 x x0 0时时,该该模型就逼近真模型就逼近真实实的分布参数系的分布参数系统统。传输线是由无数个这样的小段组成的。传输线是由无数个这样的小段组成的。中国科大 快电子学 安琪34第三十四页，讲稿共五十二页哦传输线的电报方程传输线的电报方程 选选取取传传输输线线起起点点为为坐坐标标原原点点，即即X=0X=0，分分析析距距原原点点为为X X到到X+X+x x处处的情况的情况:：L:L:单单位位长长度上的分布度上的分布电电感，感，R:R:单单位位长长度上的分布度上的分布电电阻，阻，C:C:单单位位长长度上的分布度上的分布电电容，容，G:G:单单位位长长度上的分布度上的分布电导电导(介介质质漏漏电电引起引起)在在X X处处的的电电压压为为u(t,x)u(t,x)，电电流流为为i(t,x),i(t,x),而而X+X+x x处处的的电电压压则则为为u(t,X+u(t,X+x),x),电电流流则则为为i(t,X+i(t,X+x)x)(注注意意:此此处处电电压压u u 及及电电流流i i是是时时间间(t)(t)和和位位置置(x)(x)的的二二元元函函数数)，根根据据克克希霍夫定律，从希霍夫定律，从传输线传输线的的x x到到x+x+x x段，段，应应有：有：平行双线及其等效电路平行双线及其等效电路 中国科大 快电子学 安琪35第三十五页，讲稿共五十二页哦理想理想传输传输线线 下面的下面的讨论讨论,我我们们以理想以理想导线导线来来进进一步一步简简化上述方程。化上述方程。假假定定导导线线是是无无损损耗耗线线,既既忽忽略略耗耗能能元元件件电电阻阻和和电电导导的的作作用用，只只考考虑虑储储能能元元件件电电容容和和电电感感的的作用，因而有作用，因而有:R=0,G=0R=0,G=0。假定假定导线导线在各点在各点是是均匀的。均匀的。这时这时,传输线传输线等效等效电电路可路可简简化化为为一个一个无无损损耗耗线线等效等效电电路。路。平行双线及其等效电路平行双线及其等效电路 无损耗线等效电路无损耗线等效电路 中国科大 快电子学 安琪36第三十六页，讲稿共五十二页哦双曲线方程双曲线方程 对对于于理理想想传传输输线线，当当忽忽略略耗耗能能元元件件电电阻阻和和电电导导的的作作用用时时（R=0,R=0,G=0G=0），方方程程（2.2.42.2.4）和和（2.2.52.2.5）就简化为双曲线方程。）就简化为双曲线方程。从数学上讲，这是一维波动方程，也可称为双曲型方程。要解这组方程，还必须给从数学上讲，这是一维波动方程，也可称为双曲型方程。要解这组方程，还必须给出具体的初始条件和边界条件。出具体的初始条件和边界条件。中国科大 快电子学 安琪37第三十七页，讲稿共五十二页哦 入射波入射波和和反射波反射波 传输速率：传输速率：特性阻抗：特性阻抗：反射系数：反射系数：终端匹配：终端匹配：ZC=ZL 几个重要的结论几个重要的结论中国科大 快电子学 安琪38第三十八页，讲稿共五十二页哦终端失配终端失配 终终端短路端短路 电压电压波波 当当电电压压波波传传到到终终端端后后，反反射射系系数数为为1 1，所所以以将将在在终终端端全全部部反射，而相位与入射反射，而相位与入射电压电压相差，即相差，即反向全反射反向全反射。电电流波流波 电电流流波波也也在在终终端端发发生生全全反反射射，但但相相位位不不变变，是是正正向向全全反射反射。设输设输入是幅度入是幅度为为+E+E的的阶跃电压阶跃电压，则则方程解方程解 变为变为: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中国科大 快电子学 安琪39第三十九页，讲稿共五十二页哦 终终端端开开路路 电压电压波波 当当电电压压波波传传到到终终端端后后，反反射射系系数数为为-1-1，同同样样将将在在终终端端全全部部反反射，射，但但相位与入射相位与入射电压电压相相同同，即，即正正向全反射向全反射。电电流波流波 电电流波也在流波也在终终端端发发生全反射，但相位生全反射，但相位相反相反，是，是反反向全反射向全反射。设输设输入是幅度入是幅度为为+E+E的的阶跃电压阶跃电压，则则方程解方程解变为变为:xxxxu(x,t)ttdtl/vt=l/vl/vt2l/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中国科大 快电子学 安琪40第四十页，讲稿共五十二页哦 Zc Zc Z Zl l 的一般情况的一般情况 Zc Zc Z Zl l 时时，又可分，又可分为为二种情形：二种情形：电压电压波是同相反射，但反射的波是同相反射，但反射的电压电压幅度小于幅度小于1 1。电电流波是反相反射，但反射的流波是反相反射，但反射的电电流幅度也小于流幅度也小于1 1。Zc Zc Z Zl l 电压电压波是波是反反相反射，但反射相反射，但反射电压电压幅度小于幅度小于1 1。电电流波是流波是同同相反射，反射的相反射，反射的电电流幅度也小于流幅度也小于1 1。0 0 Z Zl l Zc Zc两种情况下，反射系数的绝对值都小于两种情况下，反射系数的绝对值都小于1 1，即：，即：中国科大 快电子学 安琪41第四十一页，讲稿共五十二页哦实际实际的多次反射的多次反射举举例例中国科大 快电子学 安琪42第四十二页，讲稿共五十二页哦传输线匹配方法传输线匹配方法一一.串串联联匹配匹配 串串联联匹配方法是在匹配方法是在驱动门电驱动门电路路输输出端与出端与传输线传输线输入端输入端之之间间串入一个小串入一个小电电阻阻R RS S，使得，使得R RS S的阻值加上驱动门电路的输出的阻值加上驱动门电路的输出阻抗阻抗r r0 0阻值等于特性阻抗阻值等于特性阻抗Z ZC C的阻滞。右的阻滞。右图显图显示的是一个示的是一个ECLECL电电路的串路的串联联匹配匹配电电路，其方法路，其方法对对其他数字其他数字逻辑电逻辑电路也是适路也是适用的。用的。R RE E是下拉是下拉电电阻，一般阻，一般应应大大于大大于R RS S。串。串联联匹配方法的基匹配方法的基本考本考虑虑是要求始端匹配。所以从是要求始端匹配。所以从B B点向点向A A点点处处看看的的等效等效电电阻阻应应等于特性阻抗等于特性阻抗ZcZc，因此，要求，因此，要求电电阻阻应满应满足足:其中其中r0是是门电门电路的路的输输出阻抗，大出阻抗，大约为约为7 7(10K(10K 系列系列)。而在。而在终终端端C C点，由于一般集成点，由于一般集成门电门电路的路的输输入入阻抗都阻抗都较较高，可看成开路。高，可看成开路。设设Z ZC C=75=75 ，ECLECL10K系列集成系列集成电电路的路的输输出阻抗出阻抗为为7 7，输输入阻抗入阻抗为为50K，则则有：有：R RS S=75-7=68=75-7=68 中国科大 快电子学 安琪43第四十三页，讲稿共五十二页哦二二.并并联联匹配匹配 并并联联匹配是最匹配是最简单简单，最常用的匹配方法，它是在，最常用的匹配方法，它是在连线连线的的终终端端处处采用阻采用阻值值等于等于传输线传输线特性阻抗特性阻抗的并的并联电联电阻阻进进行匹配。行匹配。对对于于ECLECL电电路，并路，并联联匹配匹配电电阻的另一端接阻的另一端接V VEEEE或或V VTTTT，该该匹配匹配电电阻同阻同时时起着起着ECLECL门门电电路射极下拉路射极下拉电电阻的作用。阻的作用。对对于于PECLPECL和和COMSCOMS电电路，并路，并联联匹配匹配电电阻的另一端一般接地。如阻的另一端一般接地。如下下图图(a)(a)所示。所示。设设一个一个电压电压信号被前信号被前级电级电路路输输出出时时，其信号波形如，其信号波形如下下图图（b b）的波形）的波形A A所示。所示。该该信号沿信号沿传输线传传输线传输输，经过经过TDTD时间时间后到达后到达传输线终传输线终端，由于端，由于终终端端负载电负载电阻等于阻等于传输线传输线的特性阻抗，反射系数的特性阻抗，反射系数为为零，零，没有反射信号没有反射信号产产生。生。图图2-6-22-6-2（b b）的波形）的波形B B是是传输线传输线的的终终端信号。由端信号。由图图可以看出，可以看出，终终端信号只是一端信号只是一个延个延迟迟了了T TD D时间时间的的输输入信号，在完全匹配的条件下，信号没有反射，因而也没有失真。入信号，在完全匹配的条件下，信号没有反射，因而也没有失真。（a a）(b)(b)并联匹配方法并联匹配方法 中国科大 快电子学 安琪44第四十四页，讲稿共五十二页哦三三.戴维宁等效并戴维宁等效并联联匹配匹配 为为了了减减少少并并联联匹匹配配方方法法的的功功耗耗，一一个个可可选选择择的的方方法法是是采采用用所所谓谓的的戴戴维维宁宁等等效效电电阻阻。戴戴维维宁宁等等效效方方法法是是采采用用两两个个电电阻阻，一一个个接接VCC（对对ECLECL电电路路，就就是是接接地地），另另一一个个接接电电源源VEE，选选择择适适当当的的阻阻值值，使使两两个个电电阻阻的的并并联联阻阻值值等等于于传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗，而而其其戴戴维维宁宁等等效效电电压压等等于于VTT，如如下下图图所所示示。戴戴维维宁宁等等效效方方法法的的优优点点是是整整个个系系统统中中只只使使用用VEE电电源源，并并且且功功耗耗比比使使用用单单个个电电阻阻作作并并联联匹匹配配时时要要小小，适适合合于于连连线线特特性性阻阻抗抗较较小（如小（如5050）的系）的系统统，代价是多用一倍的，代价是多用一倍的电电阻。阻。使用戴维宁等效原理，图（使用戴维宁等效原理，图（a a）的电路可用图（）的电路可用图（b b）中的等效电路所替代，其中：）中的等效电路所替代，其中：（a a）(b)(b)ECLECL电路的戴维宁并联匹配方法电路的戴维宁并联匹配方法 中国科大 快电子学 安琪45第四十五页，讲稿共五十二页哦四四.交流并联匹配交流并联匹配 交流匹配也可以称为交流匹配也可以称为RC串联网络匹配。这也是一种终端并联匹配方法，其原理如下图所示。串联网络匹配。这也是一种终端并联匹配方法，其原理如下图所示。RC串联网络匹配是在终端处用一个电容和一个电阻的串联对传输线的特性阻抗进行匹配。其最大的特串联网络匹配是在终端处用一个电容和一个电阻的串联