信號完整性培訓(xùn)

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1、二.電源與地系統(tǒng)?電源和地系統(tǒng)設(shè)計的基本原則?電源電壓的分布中國科大快電子學(xué)安琪1電源和地系統(tǒng)的基本設(shè)計原則電源和地系統(tǒng)在高速數(shù)字系統(tǒng)中的作用：?為信號提供穩(wěn)定的電壓參考電平。?為系統(tǒng)提供足夠的能源，并將同一的電源電壓分布到系統(tǒng)的所有器件中。?控制信號之間的干擾。電源與地系統(tǒng)的設(shè)計，都將圍繞著如何實現(xiàn)電源和地系統(tǒng)的這三個基本功能來展開。中國科大快電子學(xué)安琪2基本設(shè)計原則1首先我們來看圖6-1-1中的電路：這是一個單端邏輯（Single-EndedLogic）電路。邏輯門A產(chǎn)生一個輸出電壓信號V1，當該信號沿著線B傳輸?shù)竭壿嬮TC的輸入端時，邏輯

2、門C需要探測輸入的邏輯電平是“1”還是“0”。為了實現(xiàn)這一點，邏輯門C使用一個差分放大器，將輸入電壓的信號幅度與其內(nèi)部的一個參考電壓R進行比較。參考電壓R的值由具體的邏輯電路系列而定，一般是該系列邏輯電路高、低電平之間的中間值。圖6-1-1單端邏輯電路的電壓參考如圖6-1-1所示：假定這個電壓參考值是地電平以上的一個固定的電壓值R，并考慮到一個可能的噪聲電壓N，則邏輯門C內(nèi)差分放大器的輸入電壓為：（6-1-1）A和C的接地點之間的任何噪聲都會在兩點間產(chǎn)生一個電壓差（用N表示），對于門C內(nèi)的差分放大器，原零電壓電平的地參考電壓就變成了噪聲電壓N

3、，原參考電壓R變成了N+R。或者說：差分放大器的參考電壓R不變，噪聲電壓N直接加在輸入信號上了。不管從那個角度看這個問題，結(jié)論是一樣的。這個噪聲電壓降低了門C的噪聲容限（NoiseMarge）。中國科大快電子學(xué)安琪3公共通道噪聲電壓噪聲電壓N基本上是與高速信號的回流電流相關(guān)。只要邏輯門A輸出一個信號到邏輯門C，到達邏輯門C的信號電流必然要通過某個路徑返回到邏輯門A，一般來說是通過地線系統(tǒng)返回。若地線系統(tǒng)存在著電感，則高速信號就會在電感上產(chǎn)生感應(yīng)信號，即：噪聲。不僅是邏輯門A和C，其他任何邏輯產(chǎn)生的回流電流，若回流通道與邏輯門A和C的地線重合，

4、也會對它們產(chǎn)生影響。這個噪聲被稱為“公共通道噪聲電壓”（Common-PathNoiseVoltage）。如圖6-1-2所示。圖6-1-2公共通道噪聲電壓中國科大快電子學(xué)安琪4基本設(shè)計原則1公共通道噪聲電壓的大小由返回信號電流和地線阻抗的乘積決定。所以電源和地系統(tǒng)設(shè)計的基本原則1可以表述為：為了減少公共通道噪聲電壓，應(yīng)當在任何邏輯門電路的接地點之間保持低阻抗連接。中國科大快電子學(xué)安琪5基本設(shè)計原則2公共通道噪聲的產(chǎn)生是與互感耦合相關(guān)的，實現(xiàn)低阻抗接地的一個很有效的方法是在印刷電路板設(shè)計中采用地平面板。但是，單獨的低電感地平面板并不能完全解決公

5、共通道噪聲的問題。像圖6-1-3中的電路，即使各個邏輯門之間是完美的低阻抗連接，在電源線上的公共通道電感仍然會引起麻煩。邏輯門的高電平與其相連的電源電壓相關(guān)，電源電壓的任何變化，都會直接影響到邏輯門的輸出電壓。因此，任何邏輯門電路的電源連接點之間也必須是低阻抗連接，同邏輯門電路接地點之間的低阻抗連接要求是一樣的。這是高速系統(tǒng)中電源和地設(shè)計的第二個原則。圖6-1-3電源線上的公共通道噪聲中國科大快電子學(xué)安琪6基本設(shè)計原則3在圖6-1-3，信號回流電流要經(jīng)過供電電池。很顯然，為了保持穩(wěn)定的輸出信號的電平，電池的內(nèi)阻必須非常低，同電源的連接，地連接

6、一樣。如圖6-1-3所示：電源與地之間的唯一通道是經(jīng)過電池。在實際的系統(tǒng)中，電源與地之間也還可以有其它的低阻抗通道。電源與地之間必須有一些低阻抗的通道。這是高速系統(tǒng)中電源和地系統(tǒng)設(shè)計的第三個原則。圖6-1-3電源線上的公共通道噪聲滿足以上三個基本設(shè)計原則的電源和地的系統(tǒng)，其公共通道噪聲將很低，同時，它也將一個同一的電源電壓分布到系統(tǒng)的各個部分。穩(wěn)定的電壓參考電平，低公共通道噪聲和在系統(tǒng)的所有部分分布著一個同一的電源電壓。三者是緊密相關(guān)的，若采用某技術(shù)措施幫助改善了其中一項，它同時也幫助改善了另外兩項。中國科大快電子學(xué)安琪7例1：雙層PCB板的

7、電源與地系統(tǒng)圖6-1-5的雙層PCB板的電源與地系統(tǒng)克服了圖2-4單層PCB板的電源與地系統(tǒng)的缺陷，給出一個更好的電源和地的設(shè)計。該系統(tǒng)使用了兩層PCB覆銅分別作為電源層和地平面層，這種設(shè)計保證了電源和地之間幾乎完美的低阻抗連接。當兩層PCB覆銅相互靠得很近時，它們之間存在著大量的平行板電容。在高頻時其阻抗極低，允許高頻電流在兩板之間很容易地雙向跨越。當信號頻率較低時，各個邏輯門旁的旁路電容可以將電源和地平面板短路在一起。?系統(tǒng)有一個低阻抗的地平面板連接著各個器件的接地點，該地平面板為所有的回流電流提供了低電感通道。符合基本設(shè)計原則1。?系統(tǒng)

8、有一個低阻抗的電源板連接著各個器件的電源連接點，提供了低噪聲公共通道。符合基本設(shè)計原則2。?最后一個基本設(shè)計原則顯然是符合的。旁路電容構(gòu)成了低阻抗的通道。圖6-1-