高速信号分析几个基本问题

来源：罗姆半导体社区

1、为什么要用信号的上升(下降)时延长短来判断是否为高速信号？

A:信号越“陡”，需要保持信号完整的频率分量也就越多（福利叶变换可知；一般数字信号保持5倍频最多，因为取5倍频已经考虑到了信号90%的能量）。又不同频率的信号有不同的传输特性，传输使用的频带越宽传输特性越复杂。如，同样是150M信号，如果取7倍频，信号会好看很多，但是它的传输频率会达到1GHz；分立元件在150M-1G这个频段内的特性变化很大，说不定哪个频率就会出现驻波现象。况且，信号不是“纯”的150M，情况便复杂的多。

2、高速信号和普通的低频信号分析上有哪些不同？

A：从考虑的物理量，传输系统和电路模型三个方面考虑。

低频电路系统

物理量为:电流、电压、电阻、电容、电感。传输系统为可见的回路式电路。电路模型为分立元件电路、集总模型。

微波电路系统

物理量为：功率、损耗、特征阻抗、传输模式。传输系统为可见不可见介质回路形式，大气、波导、传输线等。电路模型为麦克斯韦方程、等效分布模型。

3、怎样看待高速信号的传输过程，如果不是像低频系统中的“电子流”那样？

A：电磁波的传输是电磁波在传输介质中交替建立电场和磁场传输的。这个交替的过程会一直沿着某个方向延续下去，虽然电场的强度会不断减弱。我们分析常用的是TEM模型，也就是限制电磁波传播方向在Z轴方向。换句话说，不是沿Z轴向前，就是向后。那么，如果遇到“障碍物”，电磁波有一部分继续传输，而另一部分则是被反射回来，反向传输。我们定义电磁波传输的反射电压和前向电压之比为反射系数。

4、匹配到底是该匹配源端还是终端？

A：虽然源端和终端都存在匹配问题，但是终端的匹配更重要一些，因为这是消除反射的最佳位置。事实上，很多工程师提到匹配，都会默认为终端匹配。当然，在很多情况下，终端不允许做匹配或者终端匹配机制做的不好，那就要在源端来进行匹配了。比如，时钟芯片的输出管脚，一定要接一个22Ω或者33Ω的电阻，这就是典型的源端匹配。源端匹配和终端匹配并不矛盾，只是匹配的位置和消除反射的对象不同而已。

5、到底该如何理解“阻抗”impedence？

A：对于所有的理想元件，其阻抗定义为该导体两端的电压（矢量）和流经该导体的电流（矢量）的比值。这个定义不管是在时域还是频域都是有效的。从这个定义出发，那么有，对于理想电阻，其电压和电流总是同频矢量，即，理想电阻不会影响信号的频率。而对于理想电感和电容，我们推导得出其阻抗分别问ZL=jwL,ZC=-jwC。即电感和电容的阻抗都是频率相关量。注意，这里说的是理想元件！对非理想元件，需要建立等效模型来研究。需注意的是，电磁波每经过一段导线Δx，它都要建立相应的电磁场，则对应一个瞬时阻抗。如果传输线上每个单元Δx等效电路相同，且其物理特性完全一致，即每个瞬时阻抗都是一致的。那么，该瞬时阻抗就可以定位为该传输线的特征阻抗。而该传输线系统便是“连续且均匀的”。

6、传输线结构应该怎样理解?

A:一个独立的点可以构成电场吗？答案是不能的。如果把导线上某点看成两个电势点中的高电势点的话，那还得要一个低电势点。也就是为信号提供回流路径。注意！不是只有通常意义上的地平面，任何能够和信号线之间建立电场和磁场联系的导体，都能和信号线提供回流路径。对于一段微带线，和它构成传输线结构的路径包括了：微带线本身，回流路径，以及微带线和回流路径之间的介质。所以，这条传输线的特性阻抗，其实是这整个传输线结构中各个因素等效后的综合结果。

7、为什么是50Ω?

A；原因一是和以前的产品及系统相兼容，就像“铁轨宽度是由马屁股决定的”那样；原因二是，CMOS的输出阻抗一般在几十欧姆，且IBM的调查显示，板级设计的也是40Ω~80Ω为最优。

审核编辑黄昊宇