Introduction to high-speed signals and simulation verification analysis

一、高速信号的定义

在数字电路中，高速信号通常指的是指在超过信号传输线上限频率时会发生失真、波形变形或者数据丢失的信号。这种高速信号的频率通常超过几十兆赫兹，甚至可以达到几个G赫兹。对于高速信号的传输，传统的数字逻辑设计已经不能满足需求，因此需要深入了解高速信号传输的方式和原理，此文不对此做详细的介绍。

以下几种针对高速信号的定义，在某种意义上都具有合理性，比如:

A.当信号的上升时间小于6倍信号的传输延时是高速信号

B.当频率大于50MHZ的信号是高速信号

C.当信号的边沿时间小于100PS的时候被认为是高速信号

D.考虑趋肤效应和电离损耗带来的影响时的信号是高速信号

以上不同的应用场景都可以作为高速信号的判别标准，此文我们重点讨论一下A场景：上升时间小于6倍信号传输延时。传输延时按照信号的总长度除以信号传播速度进行计算，信号传播速度约等于6mil/ps。信号的上升时间一般可以通过IBIS模型或是数据手册获取(通常信号的上升时间取电平幅度值从10%上升到90%的时间范围，在IBIS模型中给出的上升时间取的是电平幅度变化值的20~80%)。对于上升时间和传播时延可参考如下图：

二、SIDesigner 验证分析

在这里我们用巨霖科技的软件工具SIDesigner设计了两个小案例，利用最常见的阻抗不匹配产生反射，并查看反射造成的影响来验证场景A的说法。

验证一: 相同的上升沿下降沿时间，不同的传输时延（传输距离不同）

当信号的边沿时间都是100ps，传输时延分别设置为10P和100P，传输延时是10ps，10(传输延时)*6<100（信号边沿时间)，因此此信号线不属于高速信号。传输延时是100ps,100(传输延时)*6>100(信号边沿时间)，此信号线属于高速信号。

分别查看net7和net8两个观测点，观测这两路波形。可以清楚的判别出，当波形7不作为高速信号考虑的时候，波形方正，阻抗带来的影响并没有表现出来。而作为高速信号的波形8，波形波动较大，看来阻抗不匹配带来了恶劣的影响。

验证二: 同等传输时延（传输距离），不同的信号上升沿下降沿时间

我们将两组走线的传输延时调节为100PS (约长度为600mil的传输线)，不同之处在于，作为对比的net15和net16两个信号的边沿上升时间分别为100ps与1000ps。同样根据我们的计算公式，对于net15信号:100*6>100，满足高速信号的定义。对于net16信号:100*6<1000，不满足高速信号的定义。

看上图结果也是和理论值相吻合的，满足高速信号定义的net15，阻抗不匹配带来明显反射。不满足高速信号定义的net16，信号受到的影响很小，波形无大的失真。

结论总结：

判断是否属于高速信号，使用的是边沿时间，而不是更为大家接受的频率。这是因为高频不一定等于高速，同样，低频信号也不能完全忽略它不会产生信号完整性的问题。比如一个30MHZ的信号，如果其上升沿非常陡峭，达到了我们关于高速信号的定义，一样需要注意其信号完整性的问题。

当一个信号不满足高速信号的定义时，很多引起信号质量问题的因素都可以忽略。这也是为什么在早期的电路中没有信号完整性这个概念，早期的器件由于生产工艺等多种原因，决定了信号的边沿上升时间缓慢，达不到需要考虑传输线效应的地步。

之所以一再强调边沿时间，是由于信号中的低频分量主要影响信号的幅度，而高频分量影响边沿。一个信号的边沿越陡峭，其含有的高频分量也就越多。

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