第二十四篇 高速信号

一、定义

高频信号:1)频域分析,信号的高频分量占整个信号能量的1/3之上;

                  2)时域分析,上升时间Tr 和传输延时Td

信号的过冲和传输线的时延有关:

《信号完整性分析》:Td>20%Tr 就需要考虑导线没有终端端接而产生的振铃噪声,就会影响电路功能,如果不控制就会造成信号完整性隐患;

Td<20%Tr时,振铃噪声可以忽略,传输线不需要做终端匹配。

目前的现状:

为了避免信号完整性问题,没有端接的传输线长度要求,Len<Tr,换算成mil就是乘以1000;

目前的高速电路中,Tr已经小于0.25ns,所以要求Len长度小于0.25in,一般来说,PCB走线距离很容易超出0.25in,所以要对电路进行端接设计。

二、高速电路常用的测试方法

三、示波器测量高速信号的注意事项

1)带宽选择

带宽定义:正弦波信号衰减到-3dB时的频率;

方波:方波可以分解为奇次倍数频率的正弦波。比如1MHz方波是有1MHz、3MHz、5MHz、7MHz等正弦波叠加而成。想要得到完整的方波信息,最少需要5次谐波分量。所以选择示波器和探头带宽时至少选择被测方波信号的5次谐波频率以上的带宽。

2)探头的选择

普通的无源探头有1:1探头和10:1探头两种;这两种探头除了衰减比例不同之外,还会对高速信号产生很大的差异。想要解释这个问题,需要了解探头的负载效应。

不接示波器的时候,被测系统电路图:

当示波器接入电路进行测量时,由于示波器的输入电阻和寄生电容,会变成如下的等效电路:

 此时的测量点电压是:

 Rin为输入阻抗,Cin为寄生电容,W代表频率。

此时测试点的电压已经发生了变化。

这导致了探头的接入前后,信号本身已经发生了变化。

通过公式可以看出,Rin越大,对信号影响越小。

1/WC是寄生电容和信号频率乘积的倒数,当W越大,影响越大,降低1/WC的影响只能降低Cin的容值。

X1探头的模型如下:

由于探头线的长度一般都会超过1m,导致电缆寄生电容很大,大约100pF。在测量高频信号会产生很大的负载效应。

下边是X10探头模型

X10探头模型10pF电容和后边的电容串联,所以Cin一定小于10pF。远远小于x1探头的输入电容。

并且Rin已经增加到10MΩ,

所以X10探头具有更高的输入阻抗,更小的寄生电容。从而大大减小了探头的负载效应。

所以测量高速信号时候,需要选择X10或者更高输入阻抗的探头。

3)接地方式的选择

常用的地夹线比较长,会形成一个接地电感Lgnd。随着夹线的增长,这个电感也会增大。而这个回路电感会和示波器的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变的不平坦。导致测量不准确。其等效电路如下:

根据频谱特性曲线

在60MHz以上的频率,幅度已经产生了超过3dB的过冲,100MHz左右,过冲达到最大值,如果采用地夹线,测量超过60MHz的信号就会产生比较大的失真。

正确的方法是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感,可以大大提升探头的带宽。

4)测量位置的选择

测量位置靠近终端,避免因为没有端接产生的反射叠加到信号上造成测试不准确。

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