高速信號分析幾個基本問題

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

1、為什么要用信號的上升(下降)時延長短來判斷是否為高速信號？

A:信號越“陡”，需要保持信號完整的頻率分量也就越多（福利葉變換可知；一般數(shù)字信號保持5倍頻最多，因?yàn)槿?倍頻已經(jīng)考慮到了信號90%的能量）。又不同頻率的信號有不同的傳輸特性，傳輸使用的頻帶越寬傳輸特性越復(fù)雜。如，同樣是150M信號，如果取7倍頻，信號會好看很多，但是它的傳輸頻率會達(dá)到1GHz；分立元件在150M-1G這個頻段內(nèi)的特性變化很大，說不定哪個頻率就會出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。況且，信號不是“純”的150M，情況便復(fù)雜的多。

2、高速信號和普通的低頻信號分析上有哪些不同？

A：從考慮的物理量，傳輸系統(tǒng)和電路模型三個方面考慮。

低頻電路系統(tǒng)

物理量為:電流、電壓、電阻、電容、電感。傳輸系統(tǒng)為可見的回路式電路。電路模型為分立元件電路、集總模型。

微波電路系統(tǒng)

物理量為：功率、損耗、特征阻抗、傳輸模式。傳輸系統(tǒng)為可見不可見介質(zhì)回路形式，大氣、波導(dǎo)、傳輸線等。電路模型為麥克斯韋方程、等效分布模型。

3、怎樣看待高速信號的傳輸過程，如果不是像低頻系統(tǒng)中的“電子流”那樣？

A：電磁波的傳輸是電磁波在傳輸介質(zhì)中交替建立電場和磁場傳輸?shù)?。這個交替的過程會一直沿著某個方向延續(xù)下去，雖然電場的強(qiáng)度會不斷減弱。我們分析常用的是TEM模型，也就是限制電磁波傳播方向在Z軸方向。換句話說，不是沿Z軸向前，就是向后。那么，如果遇到“障礙物”，電磁波有一部分繼續(xù)傳輸，而另一部分則是被反射回來，反向傳輸。我們定義電磁波傳輸?shù)姆瓷潆妷汉颓跋螂妷褐葹榉瓷湎禂?shù)。

4、匹配到底是該匹配源端還是終端？

A：雖然源端和終端都存在匹配問題，但是終端的匹配更重要一些，因?yàn)檫@是消除反射的最佳位置。事實(shí)上，很多工程師提到匹配，都會默認(rèn)為終端匹配。當(dāng)然，在很多情況下，終端不允許做匹配或者終端匹配機(jī)制做的不好，那就要在源端來進(jìn)行匹配了。比如，時鐘芯片的輸出管腳，一定要接一個22Ω或者33Ω的電阻，這就是典型的源端匹配。源端匹配和終端匹配并不矛盾，只是匹配的位置和消除反射的對象不同而已。

5、到底該如何理解“阻抗”impedence？

A：對于所有的理想元件，其阻抗定義為該導(dǎo)體兩端的電壓（矢量）和流經(jīng)該導(dǎo)體的電流（矢量）的比值。這個定義不管是在時域還是頻域都是有效的。從這個定義出發(fā)，那么有，對于理想電阻，其電壓和電流總是同頻矢量，即，理想電阻不會影響信號的頻率。而對于理想電感和電容，我們推導(dǎo)得出其阻抗分別問ZL=jwL,ZC=-jwC。即電感和電容的阻抗都是頻率相關(guān)量。注意，這里說的是理想元件！對非理想元件，需要建立等效模型來研究。需注意的是，電磁波每經(jīng)過一段導(dǎo)線Δx，它都要建立相應(yīng)的電磁場，則對應(yīng)一個瞬時阻抗。如果傳輸線上每個單元Δx等效電路相同，且其物理特性完全一致，即每個瞬時阻抗都是一致的。那么，該瞬時阻抗就可以定位為該傳輸線的特征阻抗。而該傳輸線系統(tǒng)便是“連續(xù)且均勻的”。

6、傳輸線結(jié)構(gòu)應(yīng)該怎樣理解?

A:一個獨(dú)立的點(diǎn)可以構(gòu)成電場嗎？答案是不能的。如果把導(dǎo)線上某點(diǎn)看成兩個電勢點(diǎn)中的高電勢點(diǎn)的話，那還得要一個低電勢點(diǎn)。也就是為信號提供回流路徑。注意！不是只有通常意義上的地平面，任何能夠和信號線之間建立電場和磁場聯(lián)系的導(dǎo)體，都能和信號線提供回流路徑。對于一段微帶線，和它構(gòu)成傳輸線結(jié)構(gòu)的路徑包括了：微帶線本身，回流路徑，以及微帶線和回流路徑之間的介質(zhì)。所以，這條傳輸線的特性阻抗，其實(shí)是這整個傳輸線結(jié)構(gòu)中各個因素等效后的綜合結(jié)果。

7、為什么是50Ω?

A；原因一是和以前的產(chǎn)品及系統(tǒng)相兼容，就像“鐵軌寬度是由馬屁股決定的”那樣；原因二是，CMOS的輸出阻抗一般在幾十歐姆，且IBM的調(diào)查顯示，板級設(shè)計(jì)的也是40Ω~80Ω為最優(yōu)。

審核編輯黃昊宇