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深入明白信號上升與帶寬的關系

NJ90_gh_bee81f8 ? 來源:未知 ? 作者:鄧佳佳 ? 2018-04-02 17:45 ? 次閱讀

信號的上升時間,對于理解信號完整性問題至關重要,高速pcb設計中的絕大多數問題都和它有關,很多信號完整性問題都是由信號上升時間短引起的,你必須對他足夠重視。

信號上升時間并不是信號從低電平上升到高電平所經歷的時間,而是其中的一部分。對于信號上升時間通常有兩種:

第一種定義為10-90上升時間,即信號從高電平的10%上升到90%所經歷的時間。另一種是20-80上升時間,即信號從高電平的20%上升到80%所經歷的時間。兩種都被采用。

帶寬是指被測信號幅值衰減到0.707倍時對應的頻帶寬度。幅度的平方即為功率,平方后為0.5倍,帶寬也即功率衰減到一半時的頻帶寬度。

重要的是我們必須建立這樣的概念:上升時間對電路性能有重要的影響,只要小到某一范圍,就必須引起注意,哪怕是一個很模糊的范圍。沒有必要精確定義這個范圍標準,也沒有實際意義。因此只需記住,現在的芯片加工工藝使得這個時間很短,已經到了ps級,你應該重視他的影響的時候了。

隨著信號上升時間的減小,反射、串擾、軌道塌陷、電磁輻射、地彈等問題變得更嚴重,噪聲問題更難于解決。

信號上升時間的減小,從頻譜分析的角度來說,相當于信號帶寬的增加,也就是信號中有更多的高頻分量,正是這些高頻分量才使得設計變得困難。互連線必須作為傳輸線來對待,從而產生了很多以前沒有的問題。因此,學習信號完整性,你必須有這樣的概念:信號陡峭的上升沿,是產生信號完整性問題的罪魁禍首。

對于數字電路,輸出的通常是方波信號。方波的上升邊沿非常陡峭,根據傅立葉分析,任何信號都可以分解成一系列不同頻率的正弦信號,方波中包含了非常豐富的頻譜成分。如下圖周期性方波信號的傅里葉級數展開為

可以用實驗來直觀的分析方波中的頻率成分,看看不同頻率的正弦信號是如何疊加成為方波的。下圖是7次諧波合成的波形,21次諧波合成的波形以及41次諧波合成的波形。這里可以直觀的看到:疊加的諧波成分越多,波形就越像方波。

因此如果疊加足夠多的諧波,我們就可以近似的合成出方波。下圖是疊加到217次諧波后的波形。已經非常近似方波了,不用關心角上的那些毛刺,那是著名的吉博斯現象,這種仿真必然會有的,但不影響對問題的理解。這里我們疊加諧波的最高頻率達到了21.7GHz。

在通過下圖我們可以看到,諧波分量越多,上升沿越陡峭。或從另一個角度說,如果信號的上升邊沿很陡峭,上升時間很短,那該信號的帶寬就很寬。上升時間越短,信號的帶寬越寬。紅色是基頻+3次諧波+5次諧波+7次諧波后的上升邊沿,黑色是一直疊加到217次諧波后的波形上升邊沿。

這里說一下,最終合成的方波,其波形重復頻率就是100MHz。疊加諧波只是改變了信號上升時間。信號上升時間和100MHz這個頻率無關,換成50MHz也是同樣的規律。如果你的電路板輸出數據信號只是幾十MHz,你可能會不在意信號完整性問題。但這時你想想信號由于上升時間很短,頻譜中的那些高頻諧波會有什么影響?

記住一個重要的結論:影響信號完整性的不是波形的重復頻率,而是信號的上升時間。

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原文標題:深入理解信號上升沿與帶寬的關系

文章出處:【微信號:gh_bee81f890fc1,微信公眾號:面包板社區】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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