高速信號(hào)的定義和仿真驗(yàn)證分析

高速信號(hào)的定義

在數(shù)字電路中，高速信號(hào)通常指的是指在超過(guò)信號(hào)傳輸線上限頻率時(shí)會(huì)發(fā)生失真、波形變形或者數(shù)據(jù)丟失的信號(hào)。這種高速信號(hào)的頻率通常超過(guò)幾十兆赫茲，甚至可以達(dá)到幾個(gè)G赫茲。對(duì)于高速信號(hào)的傳輸，傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足需求，因此需要深入了解高速信號(hào)傳輸?shù)姆绞胶驮?，此文不?duì)此做詳細(xì)的介紹。

以下幾種針對(duì)高速信號(hào)的定義，在某種意義上都具有合理性，比如:

A.當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間小于6倍信號(hào)的傳輸延時(shí)是高速信號(hào)

B.當(dāng)頻率大于50MHZ的信號(hào)是高速信號(hào)

C.當(dāng)信號(hào)的邊沿時(shí)間小于100PS的時(shí)候被認(rèn)為是高速信號(hào)

D.考慮趨膚效應(yīng)和電離損耗帶來(lái)的影響時(shí)的信號(hào)是高速信號(hào)

以上不同的應(yīng)用場(chǎng)景都可以作為高速信號(hào)的判別標(biāo)準(zhǔn)，此文我們重點(diǎn)討論一下A場(chǎng)景：上升時(shí)間小于6倍信號(hào)傳輸延時(shí)。傳輸延時(shí)按照信號(hào)的總長(zhǎng)度除以信號(hào)傳播速度進(jìn)行計(jì)算，信號(hào)傳播速度約等于6mil/ps。信號(hào)的上升時(shí)間一般可以通過(guò)IBIS模型或是數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取(通常信號(hào)的上升時(shí)間取電平幅度值從10%上升到90%的時(shí)間范圍，在IBIS模型中給出的上升時(shí)間取的是電平幅度變化值的20~80%)。對(duì)于上升時(shí)間和傳播時(shí)延可參考如下圖：

SIDesigner 驗(yàn)證分析

在這里我們用巨霖科技的軟件工具SIDesigner設(shè)計(jì)了兩個(gè)小案例，利用最常見(jiàn)的阻抗不匹配產(chǎn)生反射，并查看反射造成的影響來(lái)驗(yàn)證場(chǎng)景A的說(shuō)法。

驗(yàn)證一:相同的上升沿下降沿時(shí)間，不同的傳輸時(shí)延（傳輸距離不同）

當(dāng)信號(hào)的邊沿時(shí)間都是100ps，傳輸時(shí)延分別設(shè)置為10P和100P，傳輸延時(shí)是10ps，10(傳輸延時(shí))*6<100（信號(hào)邊沿時(shí)間)，因此此信號(hào)線不屬于高速信號(hào)。傳輸延時(shí)是100ps,100(傳輸延時(shí))*6>100(信號(hào)邊沿時(shí)間)，此信號(hào)線屬于高速信號(hào)。

分別查看net7和net8兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)這兩路波形。可以清楚的判別出，當(dāng)波形7不作為高速信號(hào)考慮的時(shí)候，波形方正，阻抗帶來(lái)的影響并沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。而作為高速信號(hào)的波形8，波形波動(dòng)較大，看來(lái)阻抗不匹配帶來(lái)了惡劣的影響。

驗(yàn)證二:同等傳輸時(shí)延（傳輸距離），不同的信號(hào)上升沿下降沿時(shí)間

我們將兩組走線的傳輸延時(shí)調(diào)節(jié)為100PS (約長(zhǎng)度為600mil的傳輸線)，不同之處在于，作為對(duì)比的net15和net16兩個(gè)信號(hào)的邊沿上升時(shí)間分別為100ps與1000ps。同樣根據(jù)我們的計(jì)算公式，對(duì)于net15信號(hào):1006>100，滿足高速信號(hào)的定義。對(duì)于net16信號(hào):1006<1000，不滿足高速信號(hào)的定義。

看上圖結(jié)果也是和理論值相吻合的，滿足高速信號(hào)定義的net15，阻抗不匹配帶來(lái)明顯反射。不滿足高速信號(hào)定義的net16，信號(hào)受到的影響很小，波形無(wú)大的失真。

結(jié)論總結(jié)：

判斷是否屬于高速信號(hào)，使用的是邊沿時(shí)間，而不是更為大家接受的頻率。這是因?yàn)楦哳l不一定等于高速，同樣，低頻信號(hào)也不能完全忽略它不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性的問(wèn)題。比如一個(gè)30MHZ的信號(hào)，如果其上升沿非常陡峭，達(dá)到了我們關(guān)于高速信號(hào)的定義，一樣需要注意其信號(hào)完整性的問(wèn)題。

當(dāng)一個(gè)信號(hào)不滿足高速信號(hào)的定義時(shí)，很多引起信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題的因素都可以忽略。這也是為什么在早期的電路中沒(méi)有信號(hào)完整性這個(gè)概念，早期的器件由于生產(chǎn)工藝等多種原因，決定了信號(hào)的邊沿上升時(shí)間緩慢，達(dá)不到需要考慮傳輸線效應(yīng)的地步。

之所以一再?gòu)?qiáng)調(diào)邊沿時(shí)間，是由于信號(hào)中的低頻分量主要影響信號(hào)的幅度，而高頻分量影響邊沿。一個(gè)信號(hào)的邊沿越陡峭，其含有的高頻分量也就越多。