高速信號的定義

在數(shù)字電路中，高速信號通常指的是指在超過信號傳輸線上限頻率時會發(fā)生失真、波形變形或者數(shù)據(jù)丟失的信號。這種高速信號的頻率通常超過幾十兆赫茲，甚至可以達到幾個G赫茲。對于高速信號的傳輸，傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯設(shè)計已經(jīng)不能滿足需求，因此需要深入了解高速信號傳輸?shù)姆绞胶驮?，此文不對此做詳細的介紹。

以下幾種針對高速信號的定義，在某種意義上都具有合理性，比如:

A.當(dāng)信號的上升時間小于6倍信號的傳輸延時是高速信號

B.當(dāng)頻率大于50MHZ的信號是高速信號

C.當(dāng)信號的邊沿時間小于100PS的時候被認為是高速信號

D.考慮趨膚效應(yīng)和電離損耗帶來的影響時的信號是高速信號

以上不同的應(yīng)用場景都可以作為高速信號的判別標(biāo)準(zhǔn)，此文我們重點討論一下A場景：上升時間小于6倍信號傳輸延時。傳輸延時按照信號的總長度除以信號傳播速度進行計算，信號傳播速度約等于6mil/ps。信號的上升時間一般可以通過IBIS模型或是數(shù)據(jù)手冊獲取(通常信號的上升時間取電平幅度值從10%上升到90%的時間范圍，在IBIS模型中給出的上升時間取的是電平幅度變化值的20~80%)。對于上升時間和傳播時延可參考如下圖：

SIDesigner 驗證分析

在這里我們用巨霖科技的軟件工具SIDesigner設(shè)計了兩個小案例，利用最常見的阻抗不匹配產(chǎn)生反射，并查看反射造成的影響來驗證場景A的說法。

驗證一:相同的上升沿下降沿時間，不同的傳輸時延（傳輸距離不同）

當(dāng)信號的邊沿時間都是100ps，傳輸時延分別設(shè)置為10P和100P，傳輸延時是10ps，10(傳輸延時)*6<100（信號邊沿時間)，因此此信號線不屬于高速信號。傳輸延時是100ps,100(傳輸延時)*6>100(信號邊沿時間)，此信號線屬于高速信號。

分別查看net7和net8兩個觀測點，觀測這兩路波形?？梢郧宄呐袆e出，當(dāng)波形7不作為高速信號考慮的時候，波形方正，阻抗帶來的影響并沒有表現(xiàn)出來。而作為高速信號的波形8，波形波動較大，看來阻抗不匹配帶來了惡劣的影響。

驗證二:同等傳輸時延（傳輸距離），不同的信號上升沿下降沿時間

我們將兩組走線的傳輸延時調(diào)節(jié)為100PS (約長度為600mil的傳輸線)，不同之處在于，作為對比的net15和net16兩個信號的邊沿上升時間分別為100ps與1000ps。同樣根據(jù)我們的計算公式，對于net15信號:1006>100，滿足高速信號的定義。對于net16信號:1006<1000，不滿足高速信號的定義。

看上圖結(jié)果也是和理論值相吻合的，滿足高速信號定義的net15，阻抗不匹配帶來明顯反射。不滿足高速信號定義的net16，信號受到的影響很小，波形無大的失真。

結(jié)論總結(jié)：

判斷是否屬于高速信號，使用的是邊沿時間，而不是更為大家接受的頻率。這是因為高頻不一定等于高速，同樣，低頻信號也不能完全忽略它不會產(chǎn)生信號完整性的問題。比如一個30MHZ的信號，如果其上升沿非常陡峭，達到了我們關(guān)于高速信號的定義，一樣需要注意其信號完整性的問題。

當(dāng)一個信號不滿足高速信號的定義時，很多引起信號質(zhì)量問題的因素都可以忽略。這也是為什么在早期的電路中沒有信號完整性這個概念，早期的器件由于生產(chǎn)工藝等多種原因，決定了信號的邊沿上升時間緩慢，達不到需要考慮傳輸線效應(yīng)的地步。

之所以一再強調(diào)邊沿時間，是由于信號中的低頻分量主要影響信號的幅度，而高頻分量影響邊沿。一個信號的邊沿越陡峭，其含有的高頻分量也就越多。