高速电路，你不得不知道的这些概念

在接触高速信号后，发现再用以前低速信号的思考方式来解决问题的话，好像不那么灵验了。低速信号的上升沿一般都是ns级，器件之间的走线没有那么敏感，不至于影响电路的功能。高速信号的上升沿一般都是ps级，需要考虑的更多，比如对时序的影响、信号反射、阻抗匹配、串扰、信号振铃、地弹等，否则电路可能跑不起来，不能正常工作。

1.理解方波

对于数字电路，输出的通常是方波信号。方波的上升沿很陡，根据傅立叶分析，任何信号都可以分解成一系列不同频率的正弦信号，方波中包含了非常丰富的频谱成分。

如上图，蓝色是基频信号上升沿，绿色是叠加了3次谐波后的波形上升沿，红色是基频+3次谐波+5次谐波+7次谐波后的上升沿，黑色的是一直叠加到217次谐波后的波形上升沿。

直观的看到，谐波分量越多，上升沿越陡峭。或从另一个角度说，如果信号的上升沿很陡峭，上升时间很短，那该信号的带宽就很宽，也就越接近方波。

高速信号一定要重视信号的上升时间，信号上升时间的减小，增加了带宽，也就是信号中有更多的高频分量，正是这些高频分量使得设计变得更加困难。互连线必须作为传输线来对待，从而产生了很多以前没有的问题。

2.信号反射

pcb上的走线对于高频信号而言相当于传输线，信号在传输线中传播时，如果遇到特性阻抗不连续，就会发生反射。反射可能发生在传输线的末端，拐角，过孔，元件引脚，线宽变化，T 型引线等处。

实际电路板上的反射可能非常复杂，反射回来的信号还会再次反射回去，方向与发射信号相同，到达阻抗突变处又再次反射回源端，从而形成多次反射。

3. 串扰

主要表现在PCB上两根邻近信号线之间的干扰，更多的是表现为噪声的形式。

如下图所示的波形是一个时钟信号，当上升阶段出现的下摆幅度过大，会造成系统的二次触发，同样的情况在下降阶段也会出现。如果信号的上冲超过了器件的工作电压VCC，可能会造成器件的损坏。

在高密度电路板中，串扰是一个让人很头痛的问题，因为板子空间小，走线必然很近，因此要想办法来控制。串扰大小和电路板上的很多因素有关，并不仅仅因为两根信号线间的距离。当然，距离最容易控制，也是最常用的解决串扰的方法。

4. 信号振铃

信号振铃是反射引起的，根本原因仍然是阻抗变化负载端信号振铃会严重干扰信号的接受，产生逻辑错误，必须减小或消除，因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接。

大多数芯片的输出阻抗都很低，如果输出阻抗小于 PCB 走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。

5. 轨道塌陷

根本原因是电路中存在阻抗引起的。

电源和地之间电流流经路径上不可避免存在阻抗，当电流变化时，会产生压降，因此，真正送到芯片电源管脚上的电压会减小，有时减小得很厉害，就像电压突然产生了塌陷，这就是轨道塌陷。

轨道塌陷有时会产生致命的问题，很可能影响你的电路板的功能。

6.地弹

地弹是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。当器件输出端有一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。

对于任何封装的芯片，其引脚会存在电感电容等寄生参数, 而地弹正是由于引脚上的电感引起的。