高速电路设计的经典案例
高速电路设计
目 录341.10.3电容耦合和电感耦合的比值 (33)1.10.2翻转磁耦合环 (30)1.10.1共模电感和串扰的关系 (28)1.10共模电感 (27)1.9.2终端电阻之间的共模电容 (26)1.9.1共模电容和串扰的关系 (25)1.9共模电容 (25)1.8.2图1.15的应用 (23)1.8.1在响应曲线下测试覆盖面积 (23)1.8估算衰减时间的一个更好的方法 (18)1.7普通电感 (12)1.6普通电容 (10)1.5四种类型的电抗 (9)1.4关于3-dB 和 频率均方根值 的注意点 (8)1.3集中式系统和分布式系统 (7)1.2时间和距离 (3)1.1 频率和时间 (3)第 1 章 基本原理 (1)前言.............................................................................前言这本书是专门为电路设计工程师写的。
它主要描述了模拟电路原理在高速数字电路设计中的分析应用。
通过列举很多的实例，作者详细分析了一直困扰高速电路路设计工程师的铃流、串扰和辐射噪音等问题。
所有的这些原理都不是新发现的，这些东西在以前时间里大家都是口头相传，或者只是写成应用手册，这本书的作用就是把这些智慧收集起来，稍作整理。
在我们大学的课程里面，这些内容都是没有相应课程的，因此，很多应用工程师在遇到这些问题的时候觉得很迷茫，不知该如何下手。
我们这本书就叫做“黑宝书”，它告诉了大家在高速数字电路设计中遇到这些问题应该怎么去解决，他详细分析了这些问题产生的原因和过程。
对于低速数字电路设计，这本书没有什么用，因为低速电路中，'0'、'1' 都是很干净的。
但是在高速数字电路设计中，由于信号变化很快，这时候模拟电路中分析的那些影响会产生很大的作用，使得信号失真、变形，或者产生毛刺、串扰等，作为高速数字电路的设计者，必须知道这些原理。
高速电路的原理及应用
高速电路的原理及应用1. 概述高速电路是指在电路设计中，运行速度远高于传统电路的一种电路设计技术。
它主要应用于高频信号传输、高速通信和数字电路设计领域。
高速电路的原理是基于电信号的传输速度快、信号失真小、抗干扰性强等特点，通过优化电路结构和信号传输方式，提高电路的工作速率和性能。
本文将探讨高速电路的原理及其应用。
2. 高速电路的原理高速电路的原理主要包括以下几个方面：2.1 信号传输方式的优化在高速电路中，为了提高信号的传输速率和稳定性，常采用差分信号传输方式。
差分信号传输方式通过同时传输信号及其反相信号，利用信号差分与共模抑制的原理，可有效减小信号的传输损耗和干扰，提高信号的可靠性。
2.2 电路结构的优化在电路结构设计中，为了提高电路的工作速率和性能，通常采用并行工作方式和流水线工作模式。
并行工作方式可以同时处理多个信号，提高电路的处理速率；流水线工作模式可以将处理过程分割为多个子过程，各个子过程可以并行进行，从而提高整体处理效率。
2.3 信号调节和增强技术在高速电路设计中，为了增强信号的质量和稳定性，常采用多种信号调节和增强技术。
例如，利用预加重和均衡技术可以增强传输信号的高频分量，提高信号的传输速度和稳定性；采用时钟提取和数据恢复技术可以有效减小时钟抖动和抖动噪声，提高信号的抗干扰性和可靠性。
3. 高速电路的应用高速电路在现代电子科技中有广泛的应用。
以下是几个常见的高速电路应用案例：3.1 高速通信领域在高速通信领域，高速电路被广泛应用于通信设备、光纤通信系统、无线通信系统等。
通过优化电路结构和信号传输方式，高速电路能够提高通信设备的数据传输速率和稳定性，满足现代通信对高速数据传输的需求。
3.2 数字电路设计领域在数字电路设计领域，高速电路被广泛应用于高速计算机芯片、高速数据存储器、高速接口电路等。
通过优化电路结构和信号调节技术，高速电路能够提高数字电路的工作速率和性能，实现更高效、更快速的数据处理和传输。
电子设计中的高速电路设计技术
机器学习在高速电路测试 中的应用
机器学习技术可以应用于高速电路测试中， 自动识别和分类测试结果，提高测试效率和 准确性。同时，机器学习还可以用于预测电 路的性能和可靠性，为设计优化提供依据。
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时序问题主要表现在信号 的传输时间与预期不符， 导致信号在接收端无法正 确解码。
解决时序问题的方法包括 精确控制时钟源、优化布 线策略和使用缓冲器等。
原因包括信号传播速度在 不同介质中不一致、时钟 源的偏差以及线路长度的 不匹配等。
信号失真
信号失真是指信号在传 输过程中，由于各种原 因导致信号波形发生畸
差分信号的优点包括更好的噪声抑制、更远的传输距离和更低的电压摆幅 ，使得信号传输更加可靠和高速。
在高速电路设计中，差分信号设计广泛应用于各种接口标准，如USB、 HDMI、LVDS等。
端接技术
01
端接技术是指高速电路中信号线的终 端连接方式，常见的端接技术包括串 联终端、并联终端和戴维南终端。
02
高速接口标准
高速接口标准的发展使得不同设备之间的数据传输速度得到了极大的提升。例如，USB 3.0、SATA 3.0等高速接口标准使得数据传输速度达到了数十Gbps。
系统级封装与三维集成技术
系统级封装
系统级封装技术是将多个芯片集成在一 个封装内，实现更高的性能和更小的体 积。这种技术可以减少信号传输延迟和 功耗，提高电路的工作速度和稳定性。
VS
三维集成技术
三维集成技术是将多个芯片垂直堆叠，通 过直接连接芯片之间的线路实现高速信号 传输。这种技术可以大大提高电路的集成 度和性能。
AI与机器学习在高速电路设计中的应用
AI辅助设计
AI技术可以辅助高速电路设计中的布局、布 线、信号完整性分析等环节，提高设计效率 和准确性。通过机器学习和数据挖掘技术， 可以快速识别和解决设计中的问题。
CBB-高速脉冲输出电路
文件编号：INVT0_013_0018_CBB_01CBB规范高速脉冲输出电路(VER: V1.0)拟制：时间：2009-12-18批准：时间：2009-12-18文件评优级别：□A优秀□B良好□C一般1 功能介绍本电路输出高速数字脉冲，频率范围为0~50kHz，占空比为30%-70%，集电极开路输出，电压范围0~30V，一般输入到高速脉冲输入（HDI）端口，为其他机器提供频率信号。
该电路在我司全系列变频器中已经批量运用。
2 详细原理图图1 电路原理图详细电路原理图如图1所示，信号HDO-1来自处理器的IO口输出，其低电平为0V，高电平为5V。
当HDO-1为高电平时,三极管Q1导通，光耦PC1原边截止，三极管Q2关断，Q3导通，HDO输出为低；HDO-1为低电平时，三极管Q1关断，光耦PC1原副边导通，三极管Q2导通，Q3关断，HDO输出为高（HDO有电源上拉）。
典型工作波形示意图如图2所示，其中ts为光耦PC1的关断延迟时间，tf为光耦PC1的下降时间，td为光耦PC1的导通延迟时间，tr为光耦PC1的上升时间。
图2 典型工作波形示意图3 器件功能 ❖ 电阻R1：三极管Q1基极电阻，调节Q1基极电流，确保Q1快速饱和导通； ❖ 电阻R5：三极管Q2基极电阻，调节Q2基极电流，确保Q2快速饱和导通； ❖ 电阻R6：增大光耦PC1副边电流，使光耦工作在线性区；❖ 电阻R4、R7：三极管Q3基极电阻，调节Q3基极电流，确保Q3饱和导通，R4同时也是三极管Q2集电极电阻，限制集电极电流，确保Q2饱和导通； ❖ 电阻R2、R8：三极管基极电荷泄放电阻；❖ 电阻R9：三极管Q3集电极开路输出电阻，限制集电极电流，避免Q3过流损坏； ❖ 光耦PC1：信号传输和隔离；❖ 电阻R3：光耦PC1原边限流电阻；❖ 稳压管Z1：降低三极管Q2、Q3和光耦PC1副边的工作电压； ❖ 三极管Q1、Q2、Q3：电平转换开关； ❖ 电容C1、C2：滤除信号上的尖峰和毛刺； ❖ 电阻R10：HDO 端口静电泄放电阻； ❖稳压管Z2：限制HDO 电压。
高速数字电路设计(PDF+51)
一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析
一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析高速电路研发和设计是现代通信产业发展的重要组成部分，具有很高的技术含量和难度。
然而，在实际应用中，由于各种因素（如材料、电磁干扰等），很容易出现故障。
今天，我们将针对一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例进行分析和解析。
故障现象：在进行高速电路研发和设计时，出现了一种故障现象：板子上部分器件在工作时明显变热，甚至部分器件直接烧毁。
而这种现象只出现在一些进行投产的板子上，而对于样品板则没有出现这种故障现象。
故障原因：经过系统的分析和研究，最终确定了故障的原因是电路板设计中功率计算不足。
具体来说，方案设计中提出的功率并不能满足实际需要，因此在高负荷的运转条件下，电路板所产生的过热等问题就愈发凸显。
解决方法：为了解决故障问题，需要尽快修复板子并对其进行更加准确的设计。
具体来说，可以采取以下措施：1、补充设计方案：对于原来不足的功率计算，我们需要重新对方案进行分析，对于需要的额外功率进行补充计算，从而确保功率的合理性。
2、电路板材料升级：合理的材料组合可以很好的抵御高速电路研发和设计中发生的干扰和噪声，从而更好的保证电路板的稳定性。
3、测试验证：在设计高速电路研发和设计中，我们需要大量的测试和验证，以确保设计的可靠性和稳定性。
这是一种必要的步骤，需要给予足够的重视。
总结：在高速电路研发和设计中，出现问题是常有的事情。
重要的是，在出现问题的时候及时的识别和排除问题，并尽快地采取行动，找到解决问题的方法。
希望通过对高速电路研发和设计中的典型故障案例解析，能够对广大电路工作者提供帮助，提升电路板设计的质量和稳定性。
高速电路设计1_信号完整性PDF课件--北京理工大学DSP课件一次性下载(高梅国教授)
BIT/TI
7
2、信号完整性
BIT/TI
8
3、传输线理论
• 传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，， 传输线的研究涉及很多复杂的理论。
• 在高速数字设计中只涉及到四种：同轴电缆、 双绞线、微带线和带状线
• 最重要参数：传输线的特性阻抗和信号在传输 线中的时延。
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
信号线(带状传输线)
平面层
h
ξr
Hale Waihona Puke t信号层平面层
Z0 =
60 ln 1.9h
ξr 0.8w + t
t pd = 85 ξ r
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析 – 对某参数： • 微带传输线 Z0 = 54Ω • 带状传输线 Z0 = 43Ω – 对于同样的电介质， • 微带传输线的传输速度要比带状传输 线的快 • 一般微带传输线的阻抗也比带状传输 线的高。
第四层，信号层，带状传输线 第五层，平面层 底层（第六层），信号层，微带传输线
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
t
h
ξr
信号线(微带传输线) 信号层
平面层
Z0 =
87 ln 5.98h
ξr + 1.41 0.8w + t
t pd = 85 0.475ξr + 0.67
BIT/TI
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3、传输线理论
同轴电缆
外层介质 外层屏蔽 内层介质 内层导体
高速数字电路的PCB设计
高速数字电路的PCB设计随着科技的发展，高速数字电路在各个领域中的应用越来越广泛。
高速数字电路的性能和稳定性很大程度上依赖于PCB（Printed Circuit Board）的设计。
本文将介绍高速数字电路的PCB设计原则和技巧。
一、PCB设计原则高速数字电路的PCB设计需要遵循以下原则：1. 信号完整性：在高速信号传输中，信号完整性是至关重要的。
为保证信号的稳定性和减少信号干扰，应采取合适的布局和层叠设计，减少信号走线长度和阻抗不匹配。
2. EMI抑制：高速数字电路的设计容易产生电磁干扰（EMI），对周围设备和系统造成不良影响。
应采用地线分离、屏蔽、滤波等方法来抑制EMI，并遵循EMC（Electromagnetic Compatibility）标准。
3. 热管理：高速数字电路的工作频率高，容易产生较大的功耗和热量。
应合理布局散热器、添加散热片等热管理措施，防止芯片过热从而影响电路性能。
4. 容易维修：在设计PCB时，应考虑到信号线的维修和替换。
通过采用模块化设计和合理布局，可以减少维修难度和成本。
二、PCB设计技巧高速数字电路的PCB设计应遵循以下技巧：1. PCB层次布局：将电路板分为不同的层次，包括信号层、地层和电源层。
信号层应采用临近地层和电源层的布局，以降低信号传输时的阻抗。
2. 差分传输线设计：差分传输线可以减少信号间的干扰，提高信号完整性。
差分传输线的设计应注意保证两根信号线的长度和走线路径相等，并保持合适的差模阻抗匹配。
3. 地线设计：地线是保证信号完整性和抑制干扰的关键。
应该采用广泛的地面平面，减少信号回路的面积。
同时，要避免信号线和地线相交，以减少耦合噪声。
4. 综合布线：在综合布线时，要尽量缩短信号线和电源线的长度，减少信号路径中的损耗和时延，提高电路的性能。
5. 细节考虑：在PCB设计过程中，应考虑到引脚的分配、电源供应、电容和电感的布局等细节。
合理安排元件和电路的布置，可以减少干扰和噪声，提高电路的可靠性。
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若有疑问，请联系 songmin2@高速数字设计的经典案例若干则【摘要】 随着这些年半导体工艺突飞猛进的发展， “高速数字设计”对广大硬件工程师来说，已经不再是一 个陌生的词。
从航空、雷达到汽车电子，从无线通信到有线接入，甚至在一些低端的嵌入式系统上，高 速数字电路都已经在大行其道。
目前行业内已经有不少关于高速数字电路理论的好文章， 笔者就不在这 上面掺和了。
本文着眼于理论和实际相结合， 所用的素材都来自笔者亲历过的案例， 相信活生生的事实， 比空洞的理论更有说服力，也希望能使入行不久的硬件工程师们得到他们想要的信息，今后少走弯路。
由于不会对理论作过多的阐述， 因此， 本文的阅读对象应该具有一点点高速数字设计的理论基础， 请知。
【关键词】 高速数字设计 高速数字电路 案例1 信号完整性什么词汇在高速数字设计中出现得最多？对了，SI（Signal Integrity），也就是信号完整性。
信 号完整性问题的表现形式多种多样，主要有如下种类：图 1 过冲（OVERSHOOT）图 2 振铃（RING）图 3 非单调性（NON MONOTONIC）过冲： 当较快的信号沿驱动一段较长的走线， 而走线拓扑上又没有有效的匹配时， 往往会产生过冲。
过冲带来的问题主要是“1”电平高于接收端器件的输入最大电压值(VIHmax)，或“0”电平低于接收端 器件的输入最小电压值(VILmin)，这样可能给器件带来潜在的累积性伤害，缩短其工作寿命，从而影响 产品的长期稳定性。
SmarteebitPage 1 of 17该文章版权归 smarteebit 所有。
若有疑问，请联系 songmin2@其实， 大多数的器件允许一定的超过器件标称耐压值的瞬态过冲， 有些厂家甚至详细规定了瞬态过 冲的参数，例如 Altera 的 CycloneIII 器件，其器件手册标称的最大正耐压值 VImax 值为 3.95V，但这指 的是直流电平。
如果是过冲的话，另有一套限制参数。
怎么个限制法，请看下面的图和表：图表 1 CycloneIII 对过冲参数的规定规定：器件的工作年限是 10 年，我们设定一个门限 4.10V，那么输入电平超过这个门限的时间总 和不得超过 10 年的 31.97%。
或者换一种说法，在这 10 年里，管脚上始终输入一个翻转率 100%，占空 比 50%的时钟信号，其周期为 T，在一个周期里，输入电平超过 4.10V 的时间为△T，则△T/T 的百分 比不得超过 31.97%。
如果输入信号的翻转率低于 100%（即一般的非时钟信号）的话，则意味着同等的 过冲条件下，器件可以有更长的工作寿命。
由于很多的器件没有给出瞬态过冲指标， 硬件设计人员若按直流输入的上下限来要求瞬态过冲， 在 复杂的拓扑中，很难有 SI 措施能够满足要求。
这样做有过度约束之嫌。
在没有更好的方法之前，我们 采用下面的方案： 当器件没有给出瞬态过冲指标时，硬件设计者应该尽可能向器件供应商索取准确数据， 在确实要 不到数据而且没有找到更加可性的计算方法的情况下，可以按下例方法估算：图 4SmarteebitPage 2 of 17该文章版权归 smarteebit 所有。
若有疑问，请联系 songmin2@其中： S_Overshoot_High / S_Overshoot_Low 为器件允许的静态过冲，即允许的直流输入 VIH 的上限和 下限。
D_Overshoot_High / D_Overshoot_Low 为器件允许的动态过冲， 相当于瞬态 Input 的上限和下限。
公式中的 T 反映的是工作频率， t 是电压超过静态过冲持续的时间，由仿真或测量获得。
对付过冲的一般方法是匹配，或叫端接（Termination） 。
匹配的方法五花八门，网上的文章一搜一 大把，这里不再赘述了。
匹配的中心思想是消灭信号路径端点的阻抗突变，归纳一下，无非可以总结为 两种形式：源端的串行匹配，用于消灭二次反射，以及终端的并行匹配，用于消灭一次反射。
不是每种 匹配方式都适用于任何场合，例如，50ohm 并行匹配一般不用于 LVTTL/LVCMOS 等电平逻辑，因为电 阻上消耗的功耗大得难以接受；又例如，源端匹配用于链型拓扑时，靠近驱动端的接收点波形较差，对 此，我们有“案例：源端匹配用于链型拓扑的缺陷”详细说明。
除了匹配之外，还有另外一种改善过冲的行之有效的方法，那就是令驱动端的信号沿变缓，使得原 先的高速信号变得不那么“高速”。
使信号沿变缓的最常用的手法，就是降低驱动器的驱动电流。
这种 手法在FPGA/CPLD设计中尤为常用。
通过“案例：通过修改驱动电流的方法改善过冲”，我们将对此法 有更深的体会。
振铃：过冲往往伴随有振铃，或者说，过冲是振铃的一部分。
振铃产生的第一次峰值电压，就是过 冲。
之所以要将二者区分来讲，是因为振铃的危害除了过冲外，还有其产生的电压波动可能多次跨越逻 辑电平的阈值电压，使得接收端产生误判，对于CMOS器件来说，振铃过程中还可能使得上、下MOS管同 时导通的时间延长，急剧地增加功耗，影响器件寿命。
既然振铃和过冲的产生机理一致，对它的处理方 式也就和处理过冲无异，这里仅作简要的理论阐述。
非单调性：绝大多数的非单调性都是复杂的信号拓扑造成的，因此，在一个CPU或DSP芯片的本地总 线上，非单调性的问题最为常见，也最难解决。
非单调性按表现分类，可以分为两种：回钩和台阶。
对 于一个沿有效的时钟来说，信号沿上的回钩或台阶是致命的，因为一个非单调的时钟沿，可能被接收端 认做多个有效沿，或在器件内部产生亚稳态，导致时序逻辑的功能错误。
对于数据来说，非单调性的危 害则主要是时序裕量的减小， 这也是复杂的总线系统往往要进行时序仿真的原因之一。
非单调性的案例， 请见“案例：时钟的非单调性带来的时序逻辑错误”，“案例：数据的非单调性带来的时序裕量问题”。
对于时钟信号来说， 避免出现非单调性问题的最好方式是使用时钟驱动器， 用点对点的方式驱动每 一个负载；对于有复杂拓扑的总线信号来说，则建议使用总线驱动芯片，这样可以将一个复杂的拓扑分 解为两个或两个以上较为简单的拓扑，同时也不要忘记加入合适的匹配电阻，具体的匹配方法，可以通 过仿真得到。
1.1 案例：源端匹配用于链型拓扑的缺陷如图 5，这是一个典型的链型拓扑：最右端的U48为驱动端，经过一个串阻后，一条走线上呼啦啦 挂了9个负载。
图 5 典型的链型拓扑实例由远及近，拓扑上的仿真波形分别如图 6(a)、(b)、(c)、(d)：SmarteebitPage 3 of 17该文章版权归 smarteebit 所有。
若有疑问，请联系 songmin2@OSCILLOSCOPEDesign file: SAT7_682D.HYP Designer: songmin HyperLynx V7.7 4000.0 V [UD2.13 (at die)] V [U74.11 (at die)] V [U70.11 (at die)]OSCILLOSCOPEDesign file: SAT7_682D.HYP Designer: songmin HyperLynx V7.7 4000.0 V [UC2.13 (at die)] V [U32.11 (at die)]3500.03500.03000.03000.02500.0 V o l t a g e m V V o l t a g2500.02000.02000.01500.0e m V -1500.01000.01000.0500.0500.00.000.00-500.0-500.00.004.0008.000 Time (ns)12.00016.0000.004.0008.000 Time (ns)12.00016.000Date: Thursday Dec. 17, 2009 Time: 18:04:48 Net name: P_SCK Show Latest Waveform = YESDate: Thursday Dec. 17, 2009 Time: 18:05:31 Net name: P_SCK Show Latest Waveform = YES(a)OSCILLOSCOPEDesign file: SAT7_682D.HYP Designer: songmin HyperLynx V7.7 4000.0 V [UB2.13 (at die)] V [U31.11 (at die)](b)OSCILLOSCOPEDesign file: SAT7_682D.HYP Designer: songmin HyperLynx V7.7 4000.0 V [UA2.13 (at die)] V [U30.11 (at die)]3500.03500.03000.03000.02500.0 V o l t a g e m V V o l t a g e m V -2500.02000.02000.01500.01500.01000.01000.0500.0500.00.000.00-500.0-500.00.004.0008.000 Time (ns)12.00016.0000.004.0008.000 Time (ns)12.00016.000Date: Thursday Dec. 17, 2009 Time: 18:06:14 Net name: P_SCK Show Latest Waveform = YESDate: Thursday Dec. 17, 2009 Time: 18:06:59 Net name: P_SCK Show Latest Waveform = YES(c)图 6 链型拓扑的仿真波形(d)可以看到，末端的波形(a)是最好的，由远及近(b)-> (c) ->(d)，信号沿的非单调性问题开始出现， 越靠近驱动端，非单调性越严重。
实测波形与仿真基本接近，这里就不再贴出来了。
像(b)、(c)、(d) 这样的信号质量，如果是数据，只要能保证不影响时序，倒也无妨，但如果是沿有效的时钟，则是不能 接受的。
该实例证明，串行匹配用于链型拓扑时，只能保证末端负载的波形。
从理论上理解：源端匹配 消灭的是二次反射， 当信号行波的一次反射从末端往回走的途中， 与驱动信号叠加， 便有了这样的波形。
有兴趣钻研的朋友可以看看Howard W. Johnson的“HIGH-SPEED DIGITAL DESIGN: A Handbook of Black Magic” ，里面的“Source Terminators”一节中有类似的阐述。