高速数字电路设计教材
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高速数字电路设计
内部公开
目 ½
前言
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
第
1
章 基本原理
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1
频率和时间
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2时间和距离 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3集中式系统和分布式系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4关于3-dB
和 频率均方根值 的注意点
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5四种类型的电抗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6普通电容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7普通电感 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8估算衰减时间的一个更½的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.1在响应曲线下测试覆盖面积 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.2图1.15的应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.9共模电容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.9.1共模电容和串扰的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.9.2终端电阻之间的共模电容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.10共模电感 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.10.1共模电感和串扰的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.10.2翻½磁耦合环 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.10.3电容耦合和电感耦合的比值 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
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高速数字电路设计
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前言
这本书是专门为电路设计工程师写的。它主要描述了模拟电路原理在高速数字电路设计中
的分析应用。通过列举很多的实例，½者详细分析了一直困扰高速电路路设计工程师的铃流、串
扰和辐射噪音等问题。
所有的这些原理½不是新发现的，这些东西在以前时间里大家½是口头相传，或者只是写
成应用手册，这本书的½用就是把这些智慧收集起来，稍½整理。在我们大学的课程里面，这些
内容½是没有相应课程的，因此，很多应用工程师在遇到这些问题的时候觉得很迷茫，不知该如
½下手。我们这本书就叫做“黑宝书”，它告诉了大家在高速数字电路设计中遇到这些问题应该
怎么去解决，他详细分析了这些问题产生的原因和过程。
对于½速数字电路设计，这本书没有什么用，因为½速电路中，'0'、'1' ½是很干净的。
½是在高速数字电路设计中，由于信号变化很快，这时候模拟电路中分析的那些½响会产
生很大的½用，½得信号失真、变½，或者产生毛刺、串扰等，½为高速数字电路的设计者，必
须知道这些原理。这本书就详细的解释了这些现象产生的原理以及他们在电路设计中的应用。
书本中的公式和例子对于那些没有受过专业模拟电路设计训练的读者也是有用的。在线性
电路原理理论课程中只接受了第一年的培训的读者，也许½更½地掌握本书的内容。
第1章——第3章分别介绍了模拟电路术语、逻辑门高速特性和标准高速电路测量方法和技
巧等内容。这三章内容构成了本书的核心，应该包括在任½高速逻辑设计的学习中。
其½章节，第4章——第12章，每一章½讲述了一个高速逻辑设计中的专门问题，我们可以
按照自己的需要选择学习。
附½A收集了本书各部分的要点，列出了所提出的最重要的思想和概念。它可以½为我们
进行系统设计时的一个检查要点（CHECKLIST），或者碰到问题时可½为本书内容的索引。
附½B详细给出了各种上升时间测量½式背后的数学假设。它有助于把本书的结论跟相关
术语的标准及来源联系起来。
附½C是列举物理结构中的电阻、电容和电感计算的标准公式。这些公式已经在MathCad上
实现并可以从½者处获得。
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第
1
章 基本原理
摘要:
高速数字电路设计跟½速数字电路设计不同的是：他强调组成电路的无源部件对电路的½
响。这些无源器件包括导线、电路板和组成数字产品的集成电路。在½速设计中，这些部件单纯
的只是电路的一部分，根本不用多做考虑，可是在高速设计中，这些部件对电路的性½有着直接
的½响。
高速电路设计研究的主要内容是以下几个方面：
1、无源电路单元是如½½响信号传输的（振铃和反射）。
2、信号间的相互½响（串扰）。
3、与周围环境间如½½响（电磁干扰）。
我们在下面的几个小节里面首先介绍一下频率、时间和距离相互之间的一些关系。
1.1
频率和时间
在½频电路里面，我们可以随便直接½用一个导线把两个电路连接起来，½是在高频电路中
我们不½这样做，我们只½½用一个½一些并且是平整的物½才可以把两个电路短接起来。这是
因为在½频电路中没有什么½响的导线，到了高频电路中，就变成了一个电感。
这是一个普遍的现象吗？难道真的是一个电路不½在可变化的频率范围内工½？电路的参数
真是对频率敏感的吗？
是的。如果我们给一个电路画出以频率为底的对数曲线，没有一个电路参数½够在频率增加
10倍或者20倍以后保持不变的。因此必须考虑每个电参数的有效频率范围。
我们先来研究一下在频率很½（周期很长）的电路中的电路特性，然后我们再来研究在高频
时电路会有什么变化。
如果一个正弦波的频率是10－12
HZ，也就是说他完成一个周期需要30000年。这样的一个波
½在TTL电平里每天的变化不会超过1微伏，这样的频率确实太½了，不过他还没有等于0。
这个时候我们用示波器来观察这个波½，实际上我们观察不到任½变化，因为它的周期太长
了，要等到他变化完成一个周期，设备½已经风化了。
相反我们再来考虑一下如果频率是10＋12 又会如½？
这时候，参数变化太大了，本来在½频时候是0.01欧姆的电阻，½频率到了1GHZ 时，由于
趋肤效应，变成了1欧姆，不½如此，还增加了一个50欧姆的感抗。
频率到底在多高的范围内会对高速电路设计造成½响？图1.1是一个随机数字脉冲与它的频谱
重要部分的关系图，回答了这个问题。
图1.1 的数字信号是一个触发器的输出，它的时钟频率是F_CLOCK ，每个时钟对应的数据输
入是随机的。在这个例子中10-90%上升时间叫做
Tr，是时钟周期的1%。
这个信号的功率密度谱如图1.1，在时钟的整数倍时是非常小的值，并且从Fclock开始直到
Fknee（拐弯频率）以斜率 -20dB/10倍频
下降，越过了拐弯频率以后频谱线下降的速度急剧增加，
大大快于－20dB/10倍频。在拐弯频率½½，频谱幅值是正常下降速率点再往下降－6.8dB。对于任
½电路，拐弯频率的值与电路信号沿的上升时间Tr（或下降时间）有关，与时钟频率无关：
Fknee=0.5/Tr
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公式1.1
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式子中：
Fknee：拐弯频率
Tr：脉冲上升时间
可见上升时间越短，拐弯频率越高，上升时间越长，拐弯频率越½。
数字信号的时域特性主要取决于Fknee以下的频谱特性。由此我们可以定性的推出数字电路的
两个重要特性：
推论1、所有对½于或等于Fknee 的频率响应½是均匀的电路，½够不失真的传输相应的数
字信号。
推论2、½频率高于Fknee时，对数字信号的处理会有一定的½响。
图1.1 随机脉冲波½的功率密度频谱
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