深度解讀高速電路（與高頻差異性對比）

高速電路通常是指信號的上升沿足夠快，以致于不能忽略信號在PCB板上的傳輸時間延遲。一般來說，當(dāng)PCB板上的傳輸延遲大于信號上升沿的二分之一時，該電路就可以被認(rèn)為是高速電路。

而高頻電路則通常是指工作的頻率達(dá)到了很高的數(shù)值。

高速電路的設(shè)計需要考慮到信號傳輸線效應(yīng)、電源分配、信號完整性等問題，其中信號傳輸線效應(yīng)是最重要的問題。

對于高頻電路，除了信號的頻率很高外，電路還應(yīng)具有較好的頻率響應(yīng)和抗干擾性能。

究竟什么是高速電路呢？

在過去的低速時代，電平跳變時信號上升時間較長，通常有幾個us。器件間的互連線不至于影響電路的功能，沒必要關(guān)心信號完整性問題。但在今天的高速時代，隨著IC輸出開關(guān)速度的提高，很多都在皮秒級，不管信號周期如何，幾乎所有設(shè)計都遇到了信號完整性問題。

另外，對低功耗追求使得內(nèi)核電壓越來越低，DDR4 1.2v內(nèi)核電壓已經(jīng)很常見了。因此系統(tǒng)能容忍的噪聲余量越來越小，這也使得信號完整性問題更加突出。

信號完整性問題的根源在于信號上升時間的減小。即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有變化，如果采用了信號上升時間很小的IC芯片，現(xiàn)有設(shè)計也將處于臨界狀態(tài)或者根本就停止工作。

1.高速電路的定義

狹義的理解是，通常認(rèn)為數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過50MHz，而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個電子系統(tǒng)相當(dāng)?shù)姆至?，例如三分之一，就稱為高速電路。而實(shí)際上，信號邊沿的諧波頻率比信號本身的頻率高，是信號快速變化的上升沿與下降沿引發(fā)了信號傳輸?shù)母鞣N問題。所以，當(dāng)信號所在的傳輸路徑長度大于1/6倍傳輸信號的波長時，信號被認(rèn)為是高速信號；當(dāng)信號沿著傳輸線傳播時，發(fā)生了嚴(yán)重的趨膚效應(yīng)和電離損耗時，認(rèn)為是高速信號。因此，通常約定如果電路板上信號的傳播延遲大于一半數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時間，則認(rèn)為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)，這樣的電路就是高速電路。

2.高速與高頻區(qū)別及聯(lián)系

大多數(shù)的信號完整性書籍，在進(jìn)行信號完整性研究之前，一般都會先來介紹高速與高頻這兩個基本概念，從這一點(diǎn)可以知道區(qū)分這兩個概念的重要性，因?yàn)?，通過這兩個概念可以明確信號完整性分析的對象。對于，高頻這個概念理解起來比較簡單，它只是對頻率的一種描述，大家知道，頻率是周期的倒數(shù)，高頻是高頻率，短周期的表述。

再說高速這個概念，回歸到速度的概念，速度是表征運(yùn)動快慢的物理量，在物理學(xué)里是位移對時間的微分，也就dS/dt。同樣可以應(yīng)用在電路中指的是，電位移對時間的微分，表征為電壓變化的快慢，也就dV/dt，通常我們會表述為上升時間。所以，高速電路是電壓變化快，上升時間短的表述。在電路系統(tǒng)中，上升時間的大小對于信號完整性的影響非常大，也是引起信號完整性問題的根源所在。以至于信號完整性分析基本上都是圍繞dV/dt來分析和討論的，而不是對于周期來討論，這也是高速與高頻的本質(zhì)區(qū)別。

所以，從上面對兩個概念的描述，可以了解到，高頻與高速并沒有直接的關(guān)系?？梢哉磁e幾個例子。例如，當(dāng)一個時鐘信號的頻率為50MHz，上升時間為90ps，那么它不是一個高頻信號，但它是一個高速信號，也就是頻率不高，但上升沿快。又比如，頻率為500MHz，上升時間為0.8ns，那么它與上例中信號相比較，頻率要高很多，但速度卻遠(yuǎn)比上例的信號低。所以，我們說，信號的高頻與高速沒有之間的關(guān)系。

從另一個角度來看，高速與高頻果真沒有半毛錢關(guān)系嗎？

其實(shí)不然，大家通常會將這兩個概念混淆正是因?yàn)樗叽嬖谇Ыz萬縷的聯(lián)系。具體說來，就是隨著頻率的升高，周期減小，所帶來的結(jié)果是，我們必須把速度做高，原因是我們必須保證足夠的建立時間與保持時間。隨著周期的壓縮，要想有足夠的建立時間與保持時間，就只能使上升時間與下降時間縮短，以此來滿足信號的時序有效性的要求。

舉個栗子，一個信號的頻率為100MHz，即周期為10ns，上升時間與下降時間分別為1ns，這樣信號的有效采樣時間窗口為：（10-1-1）ns，即8ns。如果此信號的頻率提高到200MHz時，保持上升時間與下降時間不變的話，采樣窗口就變成了（5-1-1）=3ns，而且隨著頻率的繼續(xù)升高，采樣窗口會繼續(xù)降低，極端情況會導(dǎo)致無法正確的采樣，于是就迫使上升時間與下降時間減小，來滿足越來越高的采樣時鐘頻率。

總結(jié)成一句話，也就是頻率的升高必然迫使速度的提高，高頻電路的進(jìn)化導(dǎo)致了高速電路，高頻與高速之間是充分條件，而不是必要條件。另外，在信號完整性的分析過程中， 一般著重強(qiáng)調(diào)的是高速電路。

高速電路的分析需要借助先進(jìn)的仿真工具，例如SPICE或PSPICE等軟件。而高頻電路的分析則需要借助網(wǎng)絡(luò)分析、頻域分析等方法。

高速電路和高頻電路是電子領(lǐng)域中兩個重要但不同的概念，它們涉及到不同的設(shè)計和工程考慮因素。核心的區(qū)別在以下方面

頻率范圍：

高速電路：高速電路通常關(guān)注的是信號上升時間、傳輸速度等，它們通常在低頻范圍內(nèi)操作，例如MHz或Gbps（千兆位每秒）級別。

高頻電路：高頻電路操作在更高的頻率范圍內(nèi)，通常涵蓋GHz（千兆赫茲）到THz（太赫茲）范圍，主要用于射頻（RF）通信、微波和毫米波應(yīng)用。

信號特性：

高速電路：高速電路通常關(guān)注信號的上升時間、時延、波形完整性和傳輸線特性。信號在高速電路中的傳播速度接近光速，需要特殊考慮信號傳輸?shù)牡乳L性。

高頻電路：高頻電路更關(guān)注信號的頻率響應(yīng)、諧振頻率和阻抗匹配，以確保信號在高頻環(huán)境中的穩(wěn)定性和性能。

審核編輯 黃宇