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数字电路设计(二)

作者:  信息来源:无忧机械电子  2007-1-14

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信号品质比起模拟信号,数字信号对噪声的抵抗能力较强,只要电位水平在一定范围,就能正确判断出0与1。随着电路速度愈来愈快,信号品质愈来愈难以确保。信号的过高(Overshoot),过低(Undershoot)可能造成目标(Target)芯片的损坏 ,振铃波(Ring back)与矮化波(Runt)一旦使电位水平落入0与1之间的灰色地带,便可能造成0与1的误...

  信号品质
  比起模拟信号,数字信号对噪声的抵抗能力较强,只要电位水平在一定范围,就能正确判断出0与1。随着电路速度愈来愈快,信号品质愈来愈难以确保。信号的过高(Overshoot),过低(Undershoot)可能造成目标(Target)芯片的损坏 ,振铃波(Ring back)与矮化波(Runt)一旦使电位水平落入0与1之间的灰色地带,便可能造成0与1的误判。
  阻抗不匹配
  v 分布电路
  高速电路因操作频率的升高,波长相对变短。当波长与线路的长度接近到相近的数量级之内时,我们开始必须把信号当成电磁波的波动来看。如传输线原理,在信号上升(下降)缘的变化时间内,信号若未能传至彼端再反射回来,则需考虑电磁波的效应。以Pentium II时脉产生器的例子而言,它的上升时间约1ns,在6.98 inch。因此当线长超过3.49 inch时,不以传输线的角度来看待这条时脉信号线是不行的。
  信号的输出阻抗为ZG,负载为ZL,传输线特性组特性阻抗(Intrinsic Impedance)为Z0,则ZG=Z0=ZL便是阻抗匹配。 以负载端而言,当Z0=ZL,所有传输线上的能量与信号会完完全全的送至负载端;若不然,便会有部份的能量反射回输出端。
  v 阻抗的计算
  在高频的情况下,电阻(R)与电导(G)的因素可被忽略,举例来说,一般的印而电路板,电感为500nH/m,电容为100pF/m,此时 Z0=√500nH/100pF=70.7 ohm。
  v 电流开关噪声
  现代的芯片所耗的电流都十分惊人,因此在内部的功能或信号的开关之间,常引起电源的不稳定。而这种不稳定的问题,可分做两方面来谈 :
  A. 因为开关的速度太快,使得在远方的电流供应器无法及时供给适当的能量。此时解决之道是在芯片旁边摆上电容来供应及时电流。
  B. 因为芯片的电源或接地接脚有电感存在,因此在电流突然变化时,在接脚上将有压差在。在多条资料线从1变为0时,芯片组的接地脚上瞬间流过大量电流而造成的电位差。
  此时芯片组接地已不是0伏,而造成信号上出现隆起小丘的现象,称为触地反弹(Ground bounce)。其解决方式,是减少接脚的电感,如选择BGA这种接脚极短的包装;并在接地处多用几个贯穿孔连接到地,以并联减少电感。
  v 电容摆设位置
  以时脉产生器的例子而言,其上升缘时间为1ns,此段时间内信号行进距离为5.43 inch。要能及时供应电源,一个大约的估算公式是L/12,亦即0.45 inch,或1.15 cm内的电容才能完全发挥作用。超过这个距离,则效用将会减弱。例如,距离成为两倍的2.3cm,电容的作用将只剩1/8。
  v 隔线干扰(Cross Talk)
  有些讯号,尤其是固定周期讯号的时脉讯号(clock),带有强烈的高频成分。当它与其它的讯号线太靠近时,会将这些已达RF频率的能量传到其它的讯号上,带来EMI的困扰。尤其若是被感染的讯号线接往I/O的连接头时,这个问题就更加严重。
  隔线干扰对EMI而言,通常要求信号线对中心对信号线中心的距离,维持3倍信号线宽度的距离,称为3W法则。
  3W法则可保持70%电场不互相干扰,若要达到98%的电场不互相干扰,可使用10W的间距。   v 滤波电容与电感
  为了去除信号上高频成分对EMI的不良影响,工程师常在信号线上加上滤波用的电容与电感
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