高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)(華為)

1、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)教材yyyy-mm-dd日期：批準(zhǔn):yyyy-mm-dd 日期：審核:yyyy-mm-dd 日期：審核:yyyy-mm-dd 日期：擬制 :華為技術(shù)有限公司版權(quán)所有 侵權(quán)必究目 錄1.10共模電感. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.9共模電容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.8估算衰減時(shí)間的一個(gè)更好的方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7普通電感. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6普通電容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5四種類型的電抗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . . . . . . . 101.4關(guān)于3-dB 和 頻率均方根值 的注意點(diǎn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2時(shí)間和距離. . . . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1 頻率和時(shí)間. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4第 1 章基本原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .前言這本書是專門為電路設(shè)計(jì)工程師寫的。它主要描述了模擬電路原理在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的分析應(yīng)用。通過列舉很多的實(shí)例，

7、作者詳細(xì)分析了一直困擾高速電路路設(shè)計(jì)工程師的鈴流、串?dāng)_和輻射噪音等問題。所有的這些原理都不是新發(fā)現(xiàn)的，這些東西在以前時(shí)間里大家都是口頭相傳，或者只是寫成應(yīng)用手冊(cè)，這本書的作用就是把這些智慧收集起來，稍作整理。在我們大學(xué)的課程里面，這些內(nèi)容都是沒有相應(yīng)課程的，因此，很多應(yīng)用工程師在遇到這些問題的時(shí)候覺得很迷茫，不知該如何下手。我們這本書就叫做“黑寶書”，它告訴了大家在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中遇到這些問題應(yīng)該怎么去解決，他詳細(xì)分析了這些問題產(chǎn)生的原因和過程。對(duì)于低速數(shù)字電路設(shè)計(jì)，這本書沒有什么用，因?yàn)榈退匐娐分校?#39;0' 、'1' 都是很干凈的。但是在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，由

8、于信號(hào)變化很快，這時(shí)候模擬電路中分析的那些影響會(huì)產(chǎn)生很大的作用，使得信號(hào)失真、變形，或者產(chǎn)生毛刺、串?dāng)_等，作為高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)者，必須知道這些原理。這本書就詳細(xì)的解釋了這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原理以及他們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中的應(yīng)用。書本中的公式和例子對(duì)于那些沒有受過專業(yè)模擬電路設(shè)計(jì)訓(xùn)練的讀者也是有用的。在線性電路原理理論課程中只接受了第一年的培訓(xùn)的讀者，也許能更好地掌握本書的內(nèi)容。第1章第3章分別介紹了模擬電路術(shù)語(yǔ)、邏輯門高速特性和標(biāo)準(zhǔn)高速電路測(cè)量方法和技巧等內(nèi)容。這三章內(nèi)容構(gòu)成了本書的核心，應(yīng)該包括在任何高速邏輯設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)中。其余章節(jié)，第4章第12章，每一章都講述了一個(gè)高速邏輯設(shè)計(jì)中的專門問題，我們可以按照

9、自己的需要選擇學(xué)習(xí)。附錄A 收集了本書各部分的要點(diǎn)，列出了所提出的最重要的思想和概念。它可以作為我們進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)檢查要點(diǎn)（CHECKLIST ），或者碰到問題時(shí)可作為本書內(nèi)容的索引。附錄B 詳細(xì)給出了各種上升時(shí)間測(cè)量形式背后的數(shù)學(xué)假設(shè)。它有助于把本書的結(jié)論跟相關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)及來源聯(lián)系起來。附錄C 是列舉物理結(jié)構(gòu)中的電阻、電容和電感計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)公式。這些公式已經(jīng)在MathCad 上實(shí)現(xiàn)并可以從作者處獲得。第 1 章基本原理摘要:高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)跟低速數(shù)字電路設(shè)計(jì)不同的是：他強(qiáng)調(diào)組成電路的無源部件對(duì)電路的影響。這些無源器件包括導(dǎo)線、電路板和組成數(shù)字產(chǎn)品的集成電路。在低速設(shè)計(jì)中，這些部件單純的只

10、是電路的一部分，根本不用多做考慮，可是在高速設(shè)計(jì)中，這些部件對(duì)電路的性能有著直接的影響。高速電路設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是以下幾個(gè)方面：1、無源電路單元是如何影響信號(hào)傳輸?shù)模ㄕ疋徍头瓷洌?、信號(hào)間的相互影響（串?dāng)_）。3、與周圍環(huán)境間如何影響（電磁干擾）。我們?cè)谙旅娴膸讉€(gè)小節(jié)里面首先介紹一下頻率、時(shí)間和距離相互之間的一些關(guān)系。1.1 頻率和時(shí)間在低頻電路里面，我們可以隨便直接使用一個(gè)導(dǎo)線把兩個(gè)電路連接起來，但是在高頻電路中我們不能這樣做，我們只能使用一個(gè)寬一些并且是平整的物體才可以把兩個(gè)電路短接起來。這是因?yàn)樵诘皖l電路中沒有什么影響的導(dǎo)線，到了高頻電路中，就變成了一個(gè)電感。這是一個(gè)普遍的現(xiàn)象嗎？難道

11、真的是一個(gè)電路不能在可變化的頻率范圍內(nèi)工作？電路的參數(shù)真是對(duì)頻率敏感的嗎？是的。如果我們給一個(gè)電路畫出以頻率為底的對(duì)數(shù)曲線，沒有一個(gè)電路參數(shù)能夠在頻率增加10倍或者20倍以后保持不變的。因此必須考慮每個(gè)電參數(shù)的有效頻率范圍。我們先來研究一下在頻率很低（周期很長(zhǎng)）的電路中的電路特性，然后我們?cè)賮硌芯吭诟哳l時(shí)電路會(huì)有什么變化。如果一個(gè)正弦波的頻率是1012 HZ，也就是說他完成一個(gè)周期需要30000年。這樣的一個(gè)波形在TTL 電平里每天的變化不會(huì)超過1微伏，這樣的頻率確實(shí)太低了，不過他還沒有等于0。這個(gè)時(shí)候我們用示波器來觀察這個(gè)波形，實(shí)際上我們觀察不到任何變化，因?yàn)樗闹芷谔L(zhǎng)了，要等到他變化完成

12、一個(gè)周期，設(shè)備都已經(jīng)風(fēng)化了。相反我們?cè)賮砜紤]一下如果頻率是1012 又會(huì)如何？這時(shí)候，參數(shù)變化太大了，本來在低頻時(shí)候是0.01歐姆的電阻，當(dāng)頻率到了1GHZ 時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，變成了1歐姆，不但如此，還增加了一個(gè)50歐姆的感抗。頻率到底在多高的范圍內(nèi)會(huì)對(duì)高速電路設(shè)計(jì)造成影響？圖1.1是一個(gè)隨機(jī)數(shù)字脈沖與它的頻譜重要部分的關(guān)系圖，回答了這個(gè)問題。圖1.1 的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)觸發(fā)器的輸出，它的時(shí)鐘頻率是F_CLOCK ，每個(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入是隨機(jī)的。在這個(gè)例子中10-90%上升時(shí)間叫做 Tr，是時(shí)鐘周期的1%。這個(gè)信號(hào)的功率密度譜如圖1.1，在時(shí)鐘的整數(shù)倍時(shí)是非常小的值，并且從Fclock 開始直

13、到Fknee （拐彎頻率）以斜率 -20dB/10倍頻 下降，越過了拐彎頻率以后頻譜線下降的速度急劇增加，大大快于20dB/10倍頻。在拐彎頻率位置，頻譜幅值是正常下降速率點(diǎn)再往下降6.8dB 。對(duì)于任何電路，拐彎頻率的值與電路信號(hào)沿的上升時(shí)間Tr （或下降時(shí)間）有關(guān)，與時(shí)鐘頻率無關(guān)：Fknee=0.5/Tr公式1.1式子中：Fknee ：拐彎頻率Tr ：脈沖上升時(shí)間可見上升時(shí)間越短，拐彎頻率越高，上升時(shí)間越長(zhǎng)，拐彎頻率越低。數(shù)字信號(hào)的時(shí)域特性主要取決于Fknee 以下的頻譜特性。由此我們可以定性的推出數(shù)字電路的兩個(gè)重要特性：推論1、所有對(duì)低于或等于Fknee 的頻率響應(yīng)都是均勻的電路，能夠不

14、失真的傳輸相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。推論2、當(dāng)頻率高于Fknee時(shí)，對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理會(huì)有一定的影響。 圖1.1 隨機(jī)脈沖波形的功率密度頻譜請(qǐng)注意我們這里的Fknee 只取決于Tr ，而跟電路的其它頻域參數(shù)沒有任何直接聯(lián)系。這樣簡(jiǎn)單的一個(gè)定義易用也易記。當(dāng)我們使用Fknee 的時(shí)候，我們也要記?。哼@個(gè)值不是非常精確的。但是可以作為一個(gè)指示特征，我們可以通過他來區(qū)分頻率敏感的影響，那些是無關(guān)緊要的，那些是破壞性的，那些是令人擔(dān)心的問題，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中我們想知道的也就是這些內(nèi)容。當(dāng)然，F(xiàn)knee 也是有限制的，他并不能夠精確的確定系統(tǒng)的性能。實(shí)際上它并沒有精確定義怎樣測(cè)量上升時(shí)間。它不能代替成熟的傅立葉分析。

15、也不能估計(jì)電磁輻射，它取決于頻率在Fknee 以上的的頻譜特性。同時(shí)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)knee 方便有效地確定了時(shí)間與頻率之間的關(guān)系。在這本書中我們?nèi)渴褂肍knee 作為數(shù)字信號(hào)頻譜的上限。附件B 附加了一些上升時(shí)間和頻率測(cè)試的不同方法，有興趣可以看一下。 圖1.2一個(gè)簡(jiǎn)單RC 濾波器的時(shí)域分析按照上面的推論（1），如果一個(gè)系統(tǒng)在低于Fknee 時(shí)的頻率響應(yīng)是非均勻的，他會(huì)是怎樣影響電路信號(hào)的呢？以下是一個(gè)實(shí)例：我們知道一個(gè)電路的高頻響應(yīng)影響它的瞬時(shí)事件處理（比如上升時(shí)間）。而低頻響應(yīng)則影響電路的長(zhǎng)時(shí)間事件處理（比如一個(gè)長(zhǎng)的穩(wěn)定脈沖）。圖1.2 顯示了一個(gè)電路的高低頻響應(yīng)特性。對(duì)于這個(gè)電路，

16、他是通高頻，阻低頻的。我們從特殊頻率點(diǎn)Fknee 分析圖1.2 ，在頻率Fknee 時(shí)電容C 的電抗是：1/C2Fknee 。我們可以利用這個(gè)公式來計(jì)算電抗值：Xc=1/C2Fknee=Tr/C2=0.06歐姆1.2Tr=階躍輸入的上升時(shí)間，秒Fknee 階躍輸入的最高頻率，HZC 電容值，F(xiàn)公式1.2表示了如何用拐點(diǎn)頻率Fknee 或上升時(shí)間來估計(jì)電容的電抗。當(dāng)時(shí)鐘周期超過25ns 的時(shí)候，比如20MHZ ，電容的容抗會(huì)上升到15歐姆，將會(huì)使耦合信號(hào)明顯下降。本節(jié)要點(diǎn)：一個(gè)電路的高頻響應(yīng)影響它的瞬時(shí)事件處理（比如上升時(shí)間）。一個(gè)電路的低頻響應(yīng)影響電路的長(zhǎng)時(shí)間事件處理（比如一個(gè)穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)脈沖）

17、。數(shù)字脈沖的大部分能量集中在低于Fknee 的頻率范圍內(nèi)：Fknee= 0.5/ Tr電路在Fknee 處的特性決定了它對(duì)變化沿（STEP EDGE）的處理。 電路在高于Fknee 時(shí)候的頻率特性對(duì)數(shù)字信號(hào)幾乎沒有影響。1.2時(shí)間和距離電信號(hào)在傳輸線或者PCB 線路上面的傳輸速度取決于周圍的環(huán)境。傳輸延時(shí)的單位是ps/inch（皮秒每英寸），傳輸速度的單位是 inch/ps（英寸每皮秒），它們是倒數(shù)關(guān)系。傳輸延時(shí)與導(dǎo)線周圍媒體的絕緣參數(shù)的平方根成正比。同軸電纜廠家通常使用泡沫塑料或者有皺紋的材料作為絕緣材料，以減小電纜的有效絕緣常數(shù)，從而減小傳輸延時(shí)和傳輸損耗。表1.1中列出了兩個(gè)同軸電纜的不

18、同絕緣材料區(qū)別。PCB 板的傳輸延時(shí)與絕緣材料的絕緣常數(shù)和PCB 線路的形狀有關(guān)。常用的電路板材料FR-4的絕緣常數(shù)在低頻時(shí)是4.7±20，在高頻下會(huì)惡化到4.5，計(jì)算傳輸延時(shí)的時(shí)候使用高頻數(shù)值4.5。 表1.1 電信號(hào)在不同媒體中的傳輸延時(shí)線路的幾何形狀決定了電場(chǎng)是停留在板上還是傳播到空氣中，如果停留在板上，材料的絕緣常數(shù)會(huì)增大使得傳輸速度降低。封閉在地層之間的 PCB 走線周圍的電場(chǎng)是全部都在板上的，因而使得FR-4 的絕緣系數(shù)典型值為4.5。而最外層PCB 走線由于與空氣接觸使得絕緣系數(shù)在1和4.5 之間。所以PCB 外層布線比內(nèi)層布線傳輸速度快。特殊陶瓷材料氧化鋁用于高密多層

19、板（可到50層），它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是溫度膨脹系數(shù)小而且機(jī)械加工性能好，可以到很薄，可是太貴。微波工程師也喜歡氧化鋁材料是因?yàn)樗梢詼p小諧振腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本節(jié)要點(diǎn)：傳輸延時(shí)與導(dǎo)線周圍介質(zhì)的絕緣常數(shù)的平方根成正比。信號(hào)在空氣中的傳輸延時(shí)是85ps/inch。 PCB 外層布線的信號(hào)傳輸速度要比內(nèi)層的高。1.3集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)一個(gè)傳導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)的響應(yīng)很大程度上取決于這個(gè)系統(tǒng)是大于還是小于信號(hào)最快電特性的有效長(zhǎng)度。跟上升沿一樣，電特性的有效長(zhǎng)度取決于特征持續(xù)時(shí)間和傳輸延時(shí)。比如，我們分析一個(gè)10KH ECL信號(hào)的上升沿，這些門的上升時(shí)間約為1.0ns ，當(dāng)信號(hào)在FR-4內(nèi)部走線上傳輸時(shí)，上

20、升沿長(zhǎng)度是5.6inch: 圖1.3畫出了一系列沿著10英寸直導(dǎo)線的傳輸電位圖。在左邊輸入一個(gè)1ns 的上升沿，脈沖信號(hào)在導(dǎo)線傳輸?shù)倪^程中，各點(diǎn)的電壓是不一樣的。這個(gè)系統(tǒng)沿著這根導(dǎo)線傳輸?shù)牡拿}沖響應(yīng)是分布式的，我們把它成為分布式系統(tǒng)。在第4ns 得到的上升沿的物理長(zhǎng)度是4.5inch 。一個(gè)物理上足夠小的系統(tǒng)，小到每一點(diǎn)的響應(yīng)都可以認(rèn)為是幾乎同時(shí)的時(shí)候，我們就稱之為集中式系統(tǒng)。圖1.3示意了一個(gè)1英寸導(dǎo)線響應(yīng)同一個(gè)1ns 上升沿時(shí)，作為一個(gè)集中式系統(tǒng)的響應(yīng)，可以看出，在每一點(diǎn)，變化幾乎是同步的。一個(gè)系統(tǒng)是集中式系統(tǒng)還是分布式系統(tǒng)取決于通過它的信號(hào)的上升時(shí)間，把系統(tǒng)大小和上升時(shí)間大小比值作為區(qū)分

21、特征。對(duì)于PCB 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和總線走線，如果線長(zhǎng)度小于信號(hào)傳輸有效長(zhǎng)度的1/6，就可以看作是一個(gè)集中式系統(tǒng)。 圖1.3分布式和集中式系統(tǒng)傳輸線上對(duì)上升沿響應(yīng)不同時(shí)間各點(diǎn)電位示意圖本節(jié)要點(diǎn)： 上升沿長(zhǎng)度：L=上升時(shí)間/傳輸延時(shí) 如果線長(zhǎng)度小于信號(hào)傳輸有效長(zhǎng)度的1/6，那么我們就把他看做是一個(gè)集中式系統(tǒng)。1.4關(guān)于3-dB 和 頻率均方根值 的注意點(diǎn)與模擬領(lǐng)域的規(guī)范不同，在數(shù)字領(lǐng)域，通常把頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換為上升時(shí)間。例如示波器廠家對(duì)垂直放大器引入一個(gè)操作帶寬，而對(duì)每一個(gè)探針又引入一個(gè)相應(yīng)的最大帶寬。根據(jù)不同的廠家可能引入的概念是3-dB 帶寬或者 RMS帶寬 （等價(jià)噪音）。不管是那種情況，帶寬和上升時(shí)間的

22、轉(zhuǎn)換據(jù)決定于示波器的頻率響應(yīng)曲線的形狀。幸好我們并不是需要每回都要計(jì)算出精確的上升時(shí)間。鑒于這本書的目的，我們建議了一種易用的方式，我們可以忽略頻率響應(yīng)形狀的細(xì)節(jié)。附錄B 對(duì)比了幾種不同的脈沖類型的計(jì)算，說明了這種方法的正確性。下面的式子中我們把頻率轉(zhuǎn)化為1090上升時(shí)間。正如附錄B 中的說明，對(duì)于我們做測(cè)試和數(shù)字電路的維修所需要的精度，不管是定義上升時(shí)間為1090（示波器脈沖中間點(diǎn)斜率的倒數(shù)）還是用標(biāo)準(zhǔn)的偏差法，都沒有什么關(guān)系。 對(duì)于高斯脈沖，K=0.338；對(duì)于單極指數(shù)衰減脈沖，K=0.350。對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字信號(hào)，這種小變化是沒有什么關(guān)系的。式子比起來有稍微增大： 通過示波器來觀看一個(gè)非

23、?？斓纳仙兀ㄟh(yuǎn)快于示波器的響應(yīng)速度），可以區(qū)分它是單極響應(yīng)還是高斯類型響應(yīng)。如果響應(yīng)的上升沿非常陡，下降的拐彎非常急，然后是長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，它可能是單極脈沖響應(yīng)（SINGLE-POLE ）；如果脈沖沿比較平緩，上升和下降是比較對(duì)稱的，估計(jì)就是高斯脈沖。如果介于兩者之間，則K 取值為：0.45。1.5四種類型的電抗四個(gè)電路概念區(qū)分了高頻數(shù)字電路和低頻數(shù)字電路的研究：電容、電感、共模電容、共模電感。這四個(gè)概念有助于我們對(duì)高速數(shù)字電路元素的描述和理解。研究電容和電感的方法非常多，微波工程師用麥克思維方程式進(jìn)行研究，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師使用拉普拉斯變換，一種專門的 SPICE 仿真使用線性微分方程，而數(shù)字工

24、程師則一般使用階躍響應(yīng)的方法。階躍響應(yīng)的方法顯示了我們需要的東西：一個(gè)脈沖輸入到一個(gè)電路元素時(shí)的響應(yīng)。這樣我們就可以得電路元素的阻抗頻率曲線。在這個(gè)意義上，階躍響應(yīng)法至少與頻域的阻抗測(cè)量方法一樣有效。我們對(duì)電容和電感的研究將集中在電路元素的階躍響應(yīng)。圖1.4 示意了一個(gè)雙端器件的典型的階躍響應(yīng)測(cè)量方法。用一個(gè)輸出阻抗為Rs 歐姆的階躍源，并聯(lián)到測(cè)試電壓響應(yīng)的設(shè)備。實(shí)際測(cè)試中，我們一個(gè)接一個(gè)地發(fā)階躍脈沖，然后在示波器上面就可以同步的看到響應(yīng)波形。 圖1.4雙端器件階躍響應(yīng)測(cè)試通過觀察階躍響應(yīng)和使用以下3個(gè)法則，任何人都可以馬上得到器件的特性：1、電阻的階躍響應(yīng)是均勻的，在0時(shí)刻，輸出即可以上升到

25、固定值并且保持穩(wěn)定。2、電容響應(yīng)是一個(gè)上升的階躍響應(yīng)，在0時(shí)刻階躍輸出也為0，但是不久就可以上升到滿幅度。3、電感的響應(yīng)是一個(gè)下降的階躍響應(yīng)，在0時(shí)刻，輸出會(huì)上升到滿幅度，但是不久就會(huì)衰減到0。我們可以分析電路的響應(yīng)（它是一個(gè)時(shí)間函數(shù)）的特性是不變的？還是上升的？還是下降的，把器件分為阻性、容性和感性。電抗性質(zhì)的影響（包括電感和電容）又可以進(jìn)一步分為普通和共模兩類，普通容抗和感抗描述了獨(dú)立器件（雙端器件）的特性，共模容抗和感抗概念描述了兩個(gè)電路之間的相互影響。在數(shù)字電路里面，共模容抗和阻抗通常產(chǎn)生我們所不期望并設(shè)法減小的串?dāng)_。普通的電容和電感是有幫助的，要視乎電路的實(shí)際情況而定。我們將使用一種

26、特殊的階躍響應(yīng)的方式來測(cè)試共模容抗和感抗電路的特性。我們只研究集中式系統(tǒng)的以下特性：·普通電容·普通電感·共模電容·共模電感1.6普通電容如果兩個(gè)導(dǎo)體充上不同電位的電荷，就會(huì)產(chǎn)生電容，這兩個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)存在電場(chǎng)，這些能量是由驅(qū)動(dòng)電路供給的。由于驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)源能量是一定的，因此，經(jīng)過有限的時(shí)間以后，電容兩端的電壓差就可以上升到一個(gè)穩(wěn)定值。這種在外部有一個(gè)能量沖擊的時(shí)候阻止電位上升很快，或者下降很快的特性就稱作電容。在有一定的低電壓的時(shí)候就能夠保持大量電場(chǎng)能量的結(jié)構(gòu)，比如兩個(gè)并列的電極片，就會(huì)存在比較大的電容。圖1.5示意了一個(gè)電容在30歐姆源驅(qū)動(dòng)下的理想的

27、電流和電壓波形（TTL 門輸出阻抗約30歐姆）。電容的階躍響應(yīng)曲線是時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)階躍電壓瞬間加載電容兩端的時(shí)候，會(huì)有一個(gè)很大的電流產(chǎn)生來建立電場(chǎng)，此時(shí)由于電流比較大，Y(t/I(t就會(huì)很小。電容是瞬間短路的。經(jīng)過一定的時(shí)間以后，Y(t/I(t變大，電流會(huì)變到很小，此時(shí)電容可以看做是開路的。最后，當(dāng)電場(chǎng)完全建立起來以后，只會(huì)剩下一個(gè)很小的漏電流，這個(gè)值的大小決定于電極之間絕緣體的絕緣特性。這個(gè)時(shí)候Y(t/I(t非常大。有的電路對(duì)于階躍響應(yīng)，在某個(gè)時(shí)段看起來像是容抗特性，在另外一個(gè)時(shí)段看起來又像是感抗特性，反之亦然。比如，電容兩端的引腳在頻率很高時(shí)就有電感特性，它的階躍響應(yīng)在零時(shí)刻的幾百個(gè)皮秒之

28、內(nèi)會(huì)看到一個(gè)脈沖，然后迅速降到0，后面在按照正常的電容曲線顯示。如果階躍源的上升時(shí)間比較長(zhǎng)，那么可能會(huì)由于示波器掃描時(shí)間比較慢的緣故我們將看不到感抗脈沖。有趣的是我們可以通過調(diào)節(jié)階躍沖擊源的上升時(shí)間和掃描時(shí)基來確定一個(gè)頻率范圍，這樣就可以很好的觀察電路的特性。 圖1.5理想電容的階躍響應(yīng)一般說來，如果上升時(shí)間是Tr ，0時(shí)刻的階躍響應(yīng)與電路在頻率FA的阻抗值有關(guān)： 取一段時(shí)間階躍響應(yīng)的平均值，我們可以估計(jì)低的頻率時(shí)的阻抗，用公式1.8我們可以估算出對(duì)應(yīng)于平均時(shí)間Tr 的分解頻率。階躍響應(yīng)的最終值表示了DC 的阻抗值。只根據(jù)上升時(shí)間是Tr ，沒有辦法推斷器件遠(yuǎn)高于FA 時(shí)候的特性。我們一定要保證

29、階躍源足夠快從而我們可以很好的看到我們需要的東西。圖1.6是一個(gè)可以測(cè)試pF 級(jí)別電容在幾個(gè)納秒時(shí)間內(nèi)特性的裝備，可以用來測(cè)試PCB 走線、門輸入、旁路電容以及其它一些數(shù)字電路的容性特性。 圖1.6測(cè)試電容的500歐姆試驗(yàn)裝置這個(gè)裝置使用驅(qū)動(dòng)被測(cè)電容的脈沖源阻抗是已知的，通過測(cè)量響應(yīng)波形的上升時(shí)間，我們可以推斷出電容值。相對(duì)我們使用音頻的方法來說，這個(gè)方法要復(fù)雜一些。它的復(fù)雜來源于高頻時(shí)候很難保持和傳遞電磁場(chǎng)能量。同軸電纜用來把測(cè)試信號(hào)和測(cè)量結(jié)果傳遞進(jìn)出1平方英寸大小的固體地平面，這個(gè)平面是測(cè)量進(jìn)行的地方。限制測(cè)量區(qū)域?yàn)?平方英寸以保證所測(cè)電路是集中式系統(tǒng)。例子：1.1測(cè)量到地的小電容圖1.6

30、實(shí)例中的待測(cè)設(shè)備（DUT ）是一個(gè)并列金屬片電容，0.5 英寸*0.75英寸，是印制在地層之上0.008英寸高的FR-4印制電路板上面1.5-oz 銅皮。這種結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)寄生電感非常小的電容。測(cè)試裝備由輸入和輸出兩個(gè)RG-174的同軸電纜構(gòu)成，輸入電纜對(duì)地加了一個(gè)50歐姆終端電阻，同時(shí)還串了一個(gè)1K 電阻來驅(qū)動(dòng)DUT 。1K 電阻把DUT 和信號(hào)源隔離開來了。使得驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗在各種阻抗DUT 下都是保持恒定的。驅(qū)動(dòng)階躍源的上升時(shí)間和幅值也不會(huì)受DUT 負(fù)載阻抗影響。脈沖發(fā)生器提供一個(gè)類似于實(shí)際電路的上升時(shí)間和幅值的信號(hào)，當(dāng)測(cè)量無源器件時(shí)，脈沖發(fā)器的DC 分量是無關(guān)緊要的。但測(cè)量一個(gè)輸入門

31、的時(shí)候，我們要不斷調(diào)整脈沖源使其跨越輸入開關(guān)范圍，并把能量傳遞到被測(cè)門，使被測(cè)門進(jìn)入測(cè)試的操作范圍，如果輸入門要求的電流比較大的話，源電阻要比1K 小一些。如果你的信號(hào)發(fā)生器有一個(gè)50歐姆Back-termination 特性，能減小輸入電纜上的反射，它是在信號(hào)發(fā)生器的輸出串50歐姆的電阻，降低由于Test jig與信號(hào)源輸出阻抗不可避免的失配而導(dǎo)致的在源電纜上的來回反射。使用back termination可以削弱源信號(hào)的反射，首先是在它從test jig反射回來的時(shí)候，然后是從信號(hào)源的back termination 電阻反射并返回測(cè)量設(shè)備時(shí)。back termination 雖然減小信號(hào)

32、源輸出的幅值為原來的一半，但是它改善了系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。輸出電纜通過一個(gè)1K 電阻單獨(dú)連接被測(cè)電路，在示波器的內(nèi)部有50歐姆的終端匹配。1K 的電阻作為21:1的探頭 , 這樣安排的好處在后面的示波器探頭一節(jié)中有介紹。輸入輸出電纜的長(zhǎng)度都是3英尺。在DUT 斷開時(shí)，這個(gè)開環(huán)電路的在2.6V 階躍沖擊下的響應(yīng)波形如圖1.7，上面的波形時(shí)基是5ns/格，下面波形的時(shí)基是500ps/格。使用的示波器是TEK 11403,自動(dòng)記錄的波形10-90%上升時(shí)間是818ps ，測(cè)得的幅值是63mV （測(cè)得的峰值是67mV ），算出來得到的DUT 處幅值為1.3v, 是沖擊源的1/2。 圖1.7500歐姆電容測(cè)

33、試裝置的開環(huán)電路響應(yīng)圖1.8是測(cè)試裝置的等價(jià)戴維南電路，在這個(gè)電路里面把系統(tǒng)總的上升時(shí)間合進(jìn)了沖擊源，這對(duì)測(cè)試是沒有影響的，只要知道這個(gè)測(cè)試的比例就可以了。 圖1.8500歐姆電容測(cè)試裝置的戴維南等價(jià)電路源阻抗是503歐姆，在輸出關(guān)閉的時(shí)候可以用萬用表測(cè)出來，也可以算出來。把DUT 接上去以后，得到的波形是一個(gè)的容性負(fù)載波形，一開始較低，然后上升。把保存的開路時(shí)候的波形打出來作對(duì)比。從整個(gè)800ps40ns的時(shí)間里，DUT 顯示了很好的容性。圖1.9 的光標(biāo)是波形的63上升時(shí)間處，可以讀出來，從開始到這點(diǎn)的時(shí)間是23.5ns ，由于驅(qū)動(dòng)電阻是503歐姆，可以算出DUT 電容是C=t/R:C=t

34、/R=23.5ns/503歐姆46.7pF 公式1.9 圖1.9 使用63的方法找出時(shí)間常數(shù)可以用上升時(shí)間和頻率之間的關(guān)系，通過觀察電容的數(shù)字波形的上升時(shí)間而了解到電容的容抗。這個(gè)關(guān)系在我們分析容抗使得數(shù)字波形失真的時(shí)候非常有用。 任一時(shí)刻通過電容電流的大小總是跟它兩端電壓的上升時(shí)間有關(guān)的： 使用公式1.11可以計(jì)算兩個(gè)電路間的電容導(dǎo)致的串?dāng)_。本節(jié)要點(diǎn)：使用脈沖源和示波器我們可以很容易的建立電容的測(cè)試裝備。1.7普通電感如果有電流存在，就會(huì)產(chǎn)生電感，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，這些能量是由驅(qū)動(dòng)電路供給的，由于驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)源能量是一定的，因此，經(jīng)過有限的時(shí)間以后，電流就可以上升到一個(gè)穩(wěn)定值。這種阻止電流上升

35、或下降等變化趨勢(shì)的特性就稱為電感。圖1.10示意了一個(gè)電感在30歐姆驅(qū)動(dòng)下的理想的電流和電壓波形（TTL 門輸出阻抗約30歐姆）。電感的階躍響應(yīng)曲線是時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)階躍電壓瞬間加載電感兩端的時(shí)候，0 時(shí)刻電流幾乎沒有，因此Y(t/I(t會(huì)非常大，電感是瞬間是開路的。經(jīng)過一定的時(shí)間以后，Y(t/I(t變小，電流會(huì)變大，最后電壓幾乎會(huì)降至0，此時(shí)電感相當(dāng)于一個(gè)短接電路。最后，當(dāng)電感周圍磁場(chǎng)完全建立起來以后，電流值只受電感的直流電阻影響。Y(t/I(t非常小。圖1.11示意了一個(gè)可以測(cè)試nH 電感特性的理想裝置，可以用來測(cè)試PCB 地線或者一般端連接線的感性特性。 圖1.10 理想電感的瞬間阻抗 圖

36、1.11理想電容的階躍響應(yīng)例子：1.2測(cè)量到地的小電感圖1.11實(shí)例中的待測(cè)設(shè)備（DUT ）是一個(gè)1英寸長(zhǎng)的印制線，是印制在地層之上0.008英寸高的FR-4上面1.5-oz 銅皮，寬度是0.010英寸，它的遠(yuǎn)端通過一個(gè)直徑為0.035英寸的過孔與地相連，這個(gè)結(jié)構(gòu)在開路的時(shí)候會(huì)有一個(gè)2pF 的寄生電容，當(dāng)遠(yuǎn)端短接的時(shí)候，此值會(huì)下降一半。算出來的電感值大約是9nH 。如果使用一個(gè)800ps 的上升沿來測(cè)試電路特性，這一速度下的寄生容抗比我們要觀察的感抗大的多： 大約是8倍的關(guān)系，這個(gè)電容的影響是：它會(huì)使L/R觀察值增大12。測(cè)試裝備由輸入和輸出兩個(gè)RG-174的同軸電纜構(gòu)成，輸入電纜對(duì)地加了一個(gè)

37、49歐姆的終端電阻，同時(shí)還并了一個(gè)10歐姆的電阻到地。這個(gè)測(cè)試裝備沖擊源跟DUT 進(jìn)行隔離不及容性測(cè)試裝備好。驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗在各種阻抗DUT 負(fù)載下范圍在39歐姆49歐姆之間。為了使我們的電路不受反射影響，不要忘記加上匹配電阻。脈沖源信號(hào)是沒有DC 分量的，不管怎樣電感的短路特性會(huì)把直流分量消除掉。在輸出關(guān)閉但是終端匹配加上的情況下在DUT 端可以測(cè)到信號(hào)源阻抗是7.6歐姆，這是幾個(gè)電阻并聯(lián)的結(jié)果。這里在DUT 使用了一個(gè)小的驅(qū)動(dòng)阻抗以增大L/R衰減時(shí)間，如果我們戴維南等效源阻抗為500歐姆的測(cè)試裝備，期望L/R時(shí)間只有0.08ns ，但是如果是7.6歐姆，那么L/R衰減時(shí)間是1.2ns 。

38、輸出電纜通過直接與DUT 連接，再與示波器的輸入端相連，示波器的終端加了50歐姆的匹配。輸入輸出電纜的長(zhǎng)度都是3英尺。7.6歐姆的測(cè)試裝備，2.4V 輸入的階躍響應(yīng)波形如圖1.2，示波器自動(dòng)計(jì)算出來1090上升時(shí)間是788ps ，階躍幅值是417ms ，探頭的衰減為1:1，所以測(cè)得值是實(shí)際值。 圖1.12500歐姆電容測(cè)試裝置的開環(huán)電路響應(yīng) 當(dāng)我們把DUT 接上去以后（如圖1.14），電壓波形表現(xiàn)出感性特征，隨著輸入信號(hào)上升很快，然后下降，最后到0。在800ps 到7ns 的范圍里，觀察到的DUT 是感性的。按照我們圖中兩個(gè)乘法因子e 對(duì)應(yīng)的光標(biāo)位置測(cè)量出來的指數(shù)衰減時(shí)間是1.36ns 。根據(jù)

39、測(cè)得的衰減常數(shù)，利用關(guān)系式可以算出DUT的感抗： 圖1.14 7.6 歐姆 測(cè)試裝置的衰減指數(shù)響應(yīng)利用上升時(shí)間和頻率之間的關(guān)系，觀察電感的數(shù)字波形的上升沿可以了解到電感的感抗。這個(gè)關(guān)系在分析惡劣的接地情況下寄生電感對(duì)地反射的影響時(shí)非常有用。 任一時(shí)刻電感兩端電壓的大小常常是跟通過它的電流上升時(shí)間有關(guān)的，關(guān)系如下： 在后面我們將可以使用公式1.16來計(jì)算兩個(gè)電路間的電感導(dǎo)致的串?dāng)_。當(dāng)討論什么是或者不是一個(gè)理想的短路設(shè)置時(shí)，考慮兩種數(shù)字線接地的方法：刀片短路和鑷子短路。在測(cè)試中，經(jīng)常要短路一些信號(hào)以驗(yàn)證我們的假設(shè)，如果短路導(dǎo)體的感性太強(qiáng)的話，窄脈沖將會(huì)通過而不被短路，時(shí)鐘線和同步中斷線特別容易受到

40、這種窄脈沖的影響。假設(shè)是刀片短路了一個(gè)距離為0.300英寸的電路，它的感值約為2nH ，對(duì)于1ns 的上升脈沖，阻抗約為6歐姆（公式1.15 。如果使用鑷子短接同樣的電路，它就會(huì)有1020nH 左右的感值，拐了一個(gè)彎的電流產(chǎn)生的電感會(huì)大的多。同樣對(duì)于1ns 的上升沿，他會(huì)有30歐姆的感抗，要用它來短路TTL 的短脈沖就顯得太大了。1.8估算衰減時(shí)間的一個(gè)更好的方法在感抗測(cè)試裝備中，期望特性衰減時(shí)間與測(cè)試裝備的開路上升時(shí)間的比值不是很 大：低比率意味著：初始化的階躍響應(yīng)上升還沒有結(jié)束，測(cè)試波形已經(jīng)開始衰減。測(cè)試到的波形并非是一個(gè)完全的指數(shù)曲線，而是一個(gè)更復(fù)雜的曲線。仔細(xì)觀察圖1.14可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際

41、上波形峰值只有250mv ，而開路的漸近值有417mv 。這說明例子1.2中的指數(shù)時(shí)間常數(shù)并沒有精確的反映電感特性。 如果我們?cè)陔x開初始化過程遠(yuǎn)一些的地方，進(jìn)一步從波形中測(cè)量衰減常數(shù)，實(shí)際的波形將更加接近指數(shù)衰減。不幸的是，實(shí)際上不可能做得更深入，當(dāng)我們?cè)噲D觀察屏幕右方的波形時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于寄生耦合、反射和其它的噪音的影響，波形上的干擾太大。我們需要一個(gè)更加可靠的方法來是用圖1.14的曲線估算電感，這就要找出一個(gè)代表整個(gè)曲線的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)應(yīng)該能夠不受測(cè)試設(shè)備和較短上升時(shí)間導(dǎo)致波形失真的因素的影響。方法就是測(cè)試在響應(yīng)曲線下測(cè)試覆蓋面積來估計(jì)感值。圖1.15使用了一個(gè)TEK 11403的測(cè)試特性來

42、測(cè)試曲線面積，得到的面積單位是皮伏/秒，圖下面我們?cè)賮碛懻撁娣e和L之間的關(guān)系。 圖1.15 7.6 歐姆電感測(cè)試裝置響應(yīng)脈沖面積首先，電感兩端電壓與通過它的電流變化率關(guān)系有關(guān)，關(guān)系式如下：1.18把上面的公式求積分得到，做一些詳細(xì)的推導(dǎo)后（推導(dǎo)過程略），將可以得到：1.23對(duì)于圖1.15 的實(shí)例，我們得到：1.24由于使用整個(gè)面積的方法與選取兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的方法相比，它受噪音和波形失真的影響更小。原理很簡(jiǎn)單：噪音的平均值為0，積分后被抵消。消除波形失真影響的原理是基于一個(gè)比較有趣的特性的：不管測(cè)試裝備的階躍響應(yīng)是什么波形，響應(yīng)曲線下的面積不變。本節(jié)要點(diǎn)：使用L/R指數(shù)衰減曲線的面積可以精確的計(jì)算出

43、衰減時(shí)間常數(shù)。 使用我們的測(cè)試裝備，慢脈沖源上升時(shí)間和低速顯示波形，都不會(huì)改變我們測(cè)量的面積。1.9共模電容有兩個(gè)電路存在的地方就會(huì)有共模電容。一個(gè)電路上面的電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)影響另一個(gè)電路。兩個(gè)電路間互相干擾的電特性，隨著距離的增大，干擾系數(shù)快速減小。兩個(gè)電路之間的干擾系數(shù)就叫做“共模電容”。單位是法拉，或者“安培秒/伏特”，兩個(gè)電路之間的電容耦合，其實(shí)就是電路A 和電路B 連接的寄生電容。A 共模電容注入到電路B 的電流與電路A 的電壓變化成正比，公式如下：1.25公式1.25是一個(gè)對(duì)實(shí)際耦合噪聲電流簡(jiǎn)化的算式，詳細(xì)的算式考慮了電路A 、B 之間的電壓和兩個(gè)電路上共模電容負(fù)載影響。這個(gè)

44、簡(jiǎn)化算式的使用是基于以下假設(shè)的：1、CM 耦合電容中的電流比主電路A 中的電流要小的多，這樣CM 不會(huì)給電路A 造成負(fù)載了。2、電路B 中的耦合電壓比電路A 中的信號(hào)電壓小得多，這樣在計(jì)算噪音電流時(shí)就可以忽略這個(gè)電壓同時(shí)可以認(rèn)為A 和B 之間的電壓差是。3、假設(shè)電容的阻抗與電路B 對(duì)地的阻抗相比是大的，這樣我們計(jì)算耦合噪聲電壓時(shí)就可以直接用乘以對(duì)地阻抗即可。這個(gè)假設(shè)忽略了其它電路對(duì)共模電容的影響。當(dāng)耦合噪聲電壓小于信號(hào)階躍幅值的10，所得的結(jié)果可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，足以判斷哪種影響值得研究。如果大于10，那么計(jì)算結(jié)果誤差將比較大。然而到了這個(gè)時(shí)候，電路已經(jīng)基本上不能正常工作，精確的計(jì)算也沒什

45、么意義。給出共模電容為, 固定的上升時(shí)間為，接收電路B 的阻抗為 ，可以估計(jì)出串?dāng)_大小，它是驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓的一部分。我們先獲得電路A 的最大單位時(shí)間變化量，和驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的上升時(shí)間，然后得到： 1.26然后用公式1.27計(jì)算從電路A 流到電路B 的共模電容電流：1.27乘以得到干擾電壓，在除以就得到串?dāng)_值（干擾程度）：1.28如果在周圍有多個(gè)電路干擾源，那么把每個(gè)電路的干擾計(jì)算出來以后再加起來就可以得到在這個(gè)電路上的總干擾。假設(shè)每個(gè)干擾是2%，旁邊共有5個(gè)干擾源，那么TTL 電路中的干擾電壓可達(dá)500mv ，這已經(jīng)超過TTL 的典型噪聲容限，會(huì)引起嚴(yán)重問題。實(shí)例1.3共模電容的測(cè)試圖1.16示意

46、了一個(gè)有共模電容耦合的環(huán)境。兩個(gè)1/4W碳膜電阻焊接在0.063英寸厚的環(huán)氧樹脂PCB 板上，中心距離是0.1英寸。PCB 只在焊接面有一個(gè)地層，而在元器件一側(cè)是空的。從電阻R2的一端輸入測(cè)試信號(hào)，在R3的另外一端測(cè)試耦合電流。這樣就可以把輸入和輸出分割開了，減小了直接的串?dāng)_反饋。終端匹配電阻R1是1/8W的電阻，焊接在焊接面。末端匹配電阻是一個(gè)示波器匹配。 圖 1.16共模電容耦合圖1.17顯示了這個(gè)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。上面的示波器波形顯示了驅(qū)動(dòng)波形（1V/格）和耦合波形（20mV/格），時(shí)基是5ns/格，驅(qū)動(dòng)波形的上升時(shí)間是800ps ，下面的圖形只顯示了耦合波形（500ps/格）。我們可以利

47、用面積公式1.23來估計(jì)共模電容的大小，集成電流是面積，這個(gè)值等于階躍 電壓乘以共模電容。共模電容等于：在使用公式1.28我們可以得到對(duì)于800ps上升沿的峰值干擾強(qiáng)度： 對(duì)比一下只用實(shí)測(cè)波形的計(jì)算面積得到的串?dāng)_： 如果把例子1.3中的電阻接地會(huì)如何？如果把例子1.3中的每個(gè)電阻的一端接地，那么這個(gè)時(shí)候的電容耦合噪音幅值大約會(huì)只到原來的1/6。很直觀的我們可以直接把共模電容看做是一個(gè)從電阻中心連接出來的一個(gè)橫跨電容，如果電阻RA 接地，那么電容兩端的電壓會(huì)被分壓成一半；如果另外一端接地，那么這時(shí)候會(huì)有后面的討論我們將看到，對(duì)于數(shù)字電路共模電感的影響比共模電容的影響要大的多。 圖1.17兩個(gè)1/

48、4w電阻的共模電容1.10共模電感有兩個(gè)電流環(huán)存在的地方就會(huì)有共模電感。一個(gè)電路上面的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)第二個(gè)電路。兩個(gè)電路間互相干擾的電特性，距離越遠(yuǎn)，干擾系數(shù)就會(huì)越小。兩個(gè)電流環(huán)之間的干擾系數(shù)就叫做“共模電感”。單位是亨利，或者“伏特秒/安培”，兩個(gè)電流環(huán)之間的電感耦合，就像是在兩個(gè)電路之間接了一個(gè)變壓器，如圖1.18，兩個(gè)電流環(huán)就像分別是主次級(jí)線圈。共模電感注入到電路B 的電壓Y 與電路A的電流變化成正比，公式如下： 電路A 中的電流變化越大，那么在電路B 中耦合的電壓也就會(huì)越大，這說明在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中共模電感的影響是很嚴(yán)重的。公式1.32是一個(gè)簡(jiǎn)化的算式，詳細(xì)的算式應(yīng)該和電

49、路A 、B 上的電流差值和負(fù)載影響都有關(guān)系。這個(gè)簡(jiǎn)化算式的是基于以下的前提的，與公式1.25的前提相似：1、LM 耦合電感中的電壓比主電路A 中的電壓要小的多，這樣就不要考慮電路A 這個(gè)負(fù)載了。實(shí)際上耦合電壓常常也是小于源信號(hào)的。2、電路B 中的耦合電流比電路A 中的信號(hào)電流小得多，B 中的耦合電流很小，可以忽略，同時(shí)可以認(rèn)為A 和B 之間的電流差是IA 。3、假設(shè)電感的阻抗比電路B 對(duì)地的阻抗小得多，這樣我們?cè)胍綦妷簳r(shí)就可以直接用噪音電壓加上電路B電壓即可。這個(gè)假設(shè)忽略了電感之間的影響和其它電路對(duì)共模電感的影響。 圖1.18 共模電感集中式電路模型在數(shù)字電路里面，共模電感和共模電容一樣，會(huì)給

50、電路帶來我們不希望的串?dāng)_。1、電流環(huán)A 中的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流越大，在環(huán)A 周圍環(huán)繞的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。2、在電流環(huán)B 中我們可以計(jì)算出由A 過來的磁場(chǎng)大小，穿過B 的磁場(chǎng)強(qiáng)度成為“磁通量”，它是A/B之間的距離、面積、相對(duì)方向和A 中電流的一個(gè)函數(shù)。A 中的電流越強(qiáng)，B 的磁通量會(huì)越大。3、如果A 中的電流發(fā)生變化，那么通過B 的磁通量也會(huì)發(fā)生變化。4、根據(jù)法拉第守則B 中的感應(yīng)電壓會(huì)跟通過它的磁通量的變化率成正比。聯(lián)系起來看，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上B 中的感應(yīng)電壓跟A 中的電流變化率成正比。這個(gè)比例系數(shù)就是A/B之間的共模電感值。圖1.19示意了共模電感的耦合過程： 圖1.19共模電感的耦合過程

51、的4個(gè)步驟由于磁場(chǎng)是一個(gè)方向量，環(huán)路B 翻轉(zhuǎn)會(huì)使磁通量的極度性也翻轉(zhuǎn)。感應(yīng)噪聲電壓極性也發(fā)生翻轉(zhuǎn)。對(duì)于A 也是一樣。如果通過B 的磁通量正好與B 的方向平行，這時(shí)候通過B 的磁通量會(huì)是0，在B 中也就不存在耦合電壓。歸納一下：共模電感的耦合，跟共模電容的耦合不同，它會(huì)產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性相反的串?dāng)_，而且方向敏感性很強(qiáng)。給出共模電感, 固定的上升時(shí)間，驅(qū)動(dòng)電路A 的阻抗 ，我們將可以估計(jì)出串?dāng)_大小，它與驅(qū)動(dòng)電壓相關(guān)。首先推出的單位時(shí)間變化量，其中是驅(qū)動(dòng)波形的階躍幅度，是上升時(shí)間： 然后我們假設(shè)電路A 是阻性的，那么它的電流和電壓會(huì)成正比，這跟變壓器是一樣的。這樣我們就可以得到電流變化與電壓變化的關(guān)

52、系式： 再除以就得到串?dāng)_值（干擾程度）： 如果在周圍有多個(gè)電路干擾源（例如多條走線共用一條路到地），那么把每個(gè)電路的干擾計(jì)算出來以后再加起來就可以得到在這個(gè)電路上的總干擾。假設(shè)每個(gè)干擾是2%，旁邊共有5個(gè)干擾源，那么TTL 電路中的干擾電壓可達(dá)500mv ，這已經(jīng)超過TTL 的噪聲容限，會(huì)引起嚴(yán)重問題。實(shí)例1.4 共模電感的測(cè)試的信號(hào)源。 圖 1.20共模電感測(cè)試電纜與電阻的輸入和輸出連接都是直角的，這樣可以最大限度的使電纜分離，互不干擾，減小了直接的串?dāng)_反饋。脈沖源的末端匹配有效。圖1.21顯示了從電阻發(fā)射出來的磁場(chǎng)形狀，有的磁力線環(huán)繞，有的沒有。從RA 出發(fā)環(huán)繞的磁通量是一個(gè)常數(shù)，它只與電

53、阻的距離以及物理尺寸有關(guān)。磁力線穿過實(shí)際指的是磁力線環(huán)繞，這個(gè)環(huán)從RB 右邊的地開始，通過電阻RB ，到電阻左邊，然后通過探針，走到示波器內(nèi)部，穿過示波器內(nèi)部的測(cè)試電阻RT ，然后出來，沿著地線回到探針的地線上面，再回到RB 。任何穿過這個(gè)環(huán)的磁力線發(fā)生的任何改變都會(huì)在這個(gè)環(huán)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果電阻和的阻值是一樣的，感應(yīng)電壓在它們上面平均分配，那么示波器上只能觀察到實(shí)際值的一半。如果的直為0，那么示波器上就可以觀察到全部感應(yīng)電壓。 圖1.21共模電感耦合實(shí)例根據(jù)圖1.22的結(jié)果，我們可以利用面積公式1.23來估計(jì)共模電感的大?。僭O(shè)前提都是一樣的），因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)只是原來的一半，所以記得要把

54、所得的結(jié)果乘以2 ，就可以得到實(shí)際值： 對(duì)于更精確的測(cè)量，我們需要減去這里面包含的共模電容耦合包含的面積，根據(jù)例子1.3我們知道由于兩個(gè)電阻都接地的緣故，實(shí)際共模電容耦合面積為56/6pVS，因此實(shí)際面積為： 因此校正后的電感為： 我們現(xiàn)在回去看一下我們是否可以估計(jì)圖1.22中的串?dāng)_的峰值。使用公式1.38，不要忘了考慮RB/RT的分壓，我們的結(jié)果要除以2。 加上例子1.3的共模電容的串?dāng)_（已經(jīng)用因子6修正過）： 可以對(duì)比一下下面基于被測(cè)面積計(jì)算結(jié)果和圖1.22中的峰值串?dāng)_： 我們可以驗(yàn)證一下我們的理論：如果磁耦合環(huán)翻轉(zhuǎn)過來，耦合串?dāng)_會(huì)改變符號(hào)。首先，在圖1.20中，我們把電阻RB 的右邊接地

55、改為左邊接地，這樣感應(yīng)環(huán)就翻過來了。圖1.23顯示了測(cè)試結(jié)果：我們得到一個(gè)負(fù)脈沖，面積為59pVs ，這個(gè)面積等于1/2電感耦合面積減去1/6電容耦合的面積（注意：這里因?yàn)榉催^來了，所以是減去）。這樣我們這里為了校正正確的電感耦合面積，應(yīng)該再把電容耦合面積加回去： 這樣我們得到校正后的耦合電感值： 很接近。 當(dāng)兩個(gè)電阻都接地的時(shí)候，相對(duì)電容耦合量是0.004，而電感串?dāng)_是0.032。對(duì)于50歐姆阻抗的電路這是一個(gè)典型值。如果是高阻抗的電路，在dV/dt更大同時(shí)相對(duì)地 dI/dt更小的時(shí)候，電容耦合串?dāng)_會(huì)相對(duì)大一些。如果某個(gè)門輸出的阻抗很小，它直接驅(qū)動(dòng)某個(gè)信號(hào)，這時(shí)候電感耦合串?dāng)_的影響會(huì)被放大，

56、這些情況下，總的感性耦合信號(hào)能量在遠(yuǎn)的末端耗盡，而不再是例子1.4我們?cè)囼?yàn)裝置中的1/2分壓的關(guān)系。本節(jié)要點(diǎn)：在高速數(shù)字電路里面，共模電感導(dǎo)致的問題比共模電容導(dǎo)致的問題大的多。高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)教材yyyy-mm-dd 日期：批準(zhǔn):yyyy-mm-dd 日期：審核:yyyy-mm-dd 日期：審核:yyyy-mm-dd 日期：擬制 :華為技術(shù)有限公司版權(quán)所有 侵權(quán)必究目 錄2.4 封裝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57、 . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3 速度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2 功耗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1 一種古老數(shù)