数字信号完整性问题和电源完整性问题

2016-12-20  by:CAE仿真在线  来源:互联网

高速先生平台好几次的“民意”调查,电源话题的呼声都是高居榜首。顺应大家的要求,电源话题也就正式开篇了。有人说,上周不是已经发了一篇“电流充放电”的文章了吗?呵呵,顺序上的一点点小失误,权当电源系列的暖场吧。

对我自己来说,这一年的工作有点小小的困惑,好像用于交流的时间多过用于技术研究的时间。当然,交流碰撞出来的火花,也会给技术带来更多的思路。这不,在一次培训中,就有朋友说,你怎么用一句话来说清楚什么是信号完整性和电源完整性呢?

我当时想了想,做出了这样的回答:

信号完整性就是解决发送1、接收就是1;而发送0,接收就是0的问题!

电源完整性呢,就是解决发出来1V(nV),到了用电端,还是1V(nV)的问题,顶多允许5%的误差。

虽然是电源的开场白,我们还是总结下信号的完整性。经常和我交流高速设计的朋友,都知道我有一个经典的比喻,用大学里面的三门课来解释什么是信号完整性:

《数电》《模电》《电磁场》,这三门课只要是电子相关专业,在大学的时候都会接触。数电主要讲0和1之间的逻辑关系,模电关心模拟信号的波形,电磁场从更高的维度来解释电路工作的原理。

低速时代,数电就是数电,数字信号的好处就是通过“0”和“1”码流传递信息,抗干扰能力强。工程师就不用考虑噪声,专心解决电路功能和逻辑的问题。

高速的第一阶段,从模电的角度来解释数电的问题。也就是下图我们见过无数遍的公式,由于0、1码对应的载体,也就是“波形”其实是“模拟”的。进入这个阶段之后,由于传输线的分布参数效应,接收端收到的0、1码由于“波形”的畸变,判断出错,所以工程师得从模电的角度,来关心数字信号的过冲,下冲,反射,串扰,振铃等问题。

高速的第二阶段,从微波电磁场的角度来解释数电的问题。通常认为信号到了GHZ以上,由于导体的趋肤效应更加明显,介质漏电效应开始突出,传输线的损耗变得不可忽视。同时数字信号的波长进一步减少,也来到传统微波电磁场所关心的领域。于是这个阶段研究数字信号的工具和方法,基本和微波射频没什么区别。

所以,考虑数字信号完整性的最重要的一个前提就是信号的上升时间,当然另一个说法就是信号的波长。只要上升时间或者说波长没有到需要考虑信号完整性问题的时候,数字就是数字,不需要过度设计。

那么,考虑电源完整性问题最重要的前提是什么呢?当然各方面因素会很多,让我来总结的话,我会说是电流的大小。

电源从VRM传到用电的IC,不管中间的路径是走线,还是铜皮,或者是电缆,电阻是必然存在的物理量。我们假设传输1伏的电压,路径上有5毫欧的电阻,流过1安培电流,路径上损耗的电压就是5毫伏。对于1伏的电压来说,5毫伏可以忽略不计。但是如果传输10安培电流呢,路径上损耗的电压就是50毫伏,这个对于1伏的电压来说已经不能忽略不计了。并且路径上损失的电压最终也会转成热能,带来散热的问题。这个也就是我们通常说的电源的直流问题,包含了压降、载流、温升、散热等领域。

同样的,电源从VRM传到用电的IC,中间路径不可避免会有电感存在。而IC端用电,电流也不是一个恒定值。变化的电流△I,在路径上的电感就是感应出△V,这也就是通常所说的电源噪声。电流越大,一般来说对应的△I也就可能越大,一定的电感下,感应出的△V也就越大。这个也就是我们通常说的电源的交流问题,包含了噪声、纹波等。

所以,影响电源完整性考虑的最大因素,我认为是电流大小,电流小的时候,设计难度不大,当电流增大时,电源设计的问题变得越来越难。

而现在的数字电路设计,电流已经在变得越来越大。单轨道电流几十安培甚至上百安培已经经常出现,电源完整性的话题也就被业内越来越重视。高速先生会分两个系列来“围殴”电源问题,首先我们来讨论电源的直流问题,大体的规划如下:

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