Leiterplattentechnisch - Forschung zur Signalintegrität: Signalanstiegszeit und Bandbreite

Ich habe im vorherigen Artikel erwähnt, dass wir auf die Signalanstiegszeit achten sollten. Viele Signalintegritätsprobleme werden durch die kurze Signalanstiegszeit verursacht. Dieser Artikel wird über ein Grundkonzept sprechen: die Beziehung zwischen Signalanstiegszeit und Signalbandbreite.

Bei digitalen Schaltungen ist der Ausgang in der Regel ein Quadratwellensignal. Die aufsteigEndee Kante der quadratischen Welle ist sehr steil. Laut Fourier-Analyse kann jedes Signal in eine Reihe von sinusförmigen Signalen unterschiedlicher Frequenzen zerlegt werden. Die Quadratwelle enthält sehr reiche spektrale Komponenten.

Abgesehen von der langweiligen theoretischen Analyse analysieren wir mittels Experimenten intuitiv die Frequenzkomponenten in der Quadratwelle und sehen, wie Sinussignale verschiedener Frequenzen in eine Quadratwelle überlagert werden. Zuerst überlagern wir eine 1.65v DC und eine 100MHz Sinuswelle, um eine einzelne Frequenzsinuswelle mit einem DC Offset von 1.65v zu erhalten. Wir überlagern ein sinusförmiges Signal mit einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz auf dieses Signal, das allgemein als Oberschwingungen bezeichnet wird. Die Frequenz der dritten Oberschwingung ist 300MHz, die Frequenz der fünften Oberschwingung ist 500MHz, und so weiter, die höheren Oberschwingungen sind alle ganzzahlige Vielfache von 100MHz. Abbildung 1 ist ein Vergleich vor und nach dem Überlagern verschiedener Obertöne. Die obere linke Ecke ist die 100MHz Grundfrequenzwellenform mit DC-Offset, und die obere rechte Ecke ist die Wellenform, nachdem die Grundfrequenz mit der dritten Oberschwingung überlagert ist, die ein bisschen ähnlich einer Quadratwelle ist. Die untere linke Ecke ist die Wellenform der Grundfrequenz und die untere rechte Ecke ist die Wellenform der Grundfrequenz. Je mehr harmonische Komponenten überlagert werden, desto mehr ähnelt die Wellenform einer quadratischen Welle.

Abbildung 1

Wenn also genügEnde Obertöne überlagert sind, können wir ungefähr eine quadratische Welle synthetisieren. Abbildung 2 ist die Wellenform, die auf der 217ten Oberschwingung überlagert ist. Sie ähnelt bereits sehr der Quadratwelle. Die Grate an den Ecken sind mir egal. Es ist das berühmte Gibbs-Phänomen. Diese Art von Simulation wird sicherlich passieren, hat aber keinen Einfluss auf das Verständnis des Problems. Hier haben wir die höchste Frequenz überlagerter Oberschwingungen bis 21,7GHz.

Abbildung 2

Das obige Experiment ist sehr hilfreich für uns, um die wesentlichen Eigenschaften der quadratischen Wellenform zu verstehen. Ein ideales Quadratwellensignal enthält unEndelich viele harmonische Komponenten. Man kann sagen, dass die Bandbreite unEndelich ist. Es gibt eine Lücke zwischen dem tatsächlichen Quadratwellensignal und dem idealen Quadratwellensignal, aber es gibt eine Sache gemeinsam, das heißt, es enthält Hochfrequenzspektrumkomponenten.

Nun betrachten wir den Effekt der Überlagerung verschiedener spektraler Komponenten an der aufsteigEndeen Kante. Abbildung 3 ist eine vergleichEndee Darstellung. Das Blau ist die aufsteigEndee Kante des fundamentalen Frequenzsignals, das Grün ist die aufsteigEndee Kante der Wellenform, nachdem die dritte Oberschwingung überlagert ist, das Rot ist die aufsteigEndee Kante nach der Grundfrequenz, die dritte Oberschwingung, die fünfte Oberschwingung der siebten Oberschwingung, und die schwarze ist es überlagert dem aufsteigEndeen Rand der Wellenform nach der 217ten Oberschwingung.

Abbildung 3

Durch dieses Experiment lässt sich intuitiv erkennen, dass je harmonischer Komponenten, desto steiler die ansteigEndee Kante ist. Oder aus einer anderen Perspektive, wenn die steigEndee Kante des Signals steil ist und die Anstiegszeit kurz ist, dann ist die Bandbreite des Signals sehr breit. Je kürzer die Anstiegszeit, desto größer ist die Bandbreite des Signals. Dies ist ein sehr wichtiges Konzept, Sie müssen ein intuitives Verständnis haben, tief in Ihrem Geist, es ist sehr gut für Sie, Signalintegrität zu lernen.

Hier, um über die finale synthetisierte Quadratwelle zu sprechen, ihre Wellenform-Wiederholungsfrequenz beträgt 100MHz. ÜberragEndee Oberschwingungen verändern nur die Signalanstiegszeit. Die Signalanstiegszeit hat nichts mit der Frequenz von 100MHz zu tun, und es ist die gleiche Regel, wenn auf 50MHz gewechselt wird. Wenn das Ausgangsdatensignal Ihrer Leiterplatte nur zehn MHz beträgt, können Sie sich nicht um Probleme mit der Signalintegrität kümmern. Aber jetzt denken Sie über die Auswirkungen der Hochfrequenzschwingungen im Spektrum aufgrund der kurzen Anstiegszeit des Signals nach? Denken Sie an eine wichtige Schlussfolgerung: Es ist nicht die Wiederholungsfrequenz der Wellenform, die die Signalintegrität beeinflusst, sondern die Anstiegszeit des Signals.

Der Simulationscode dieses Artikels ist sehr einfach, ich werde den Code hier posten, Sie können ihn auf matlab selbst ausführen.

clc; alles löschen; Packung;

Fs.

Nsamp.2e4;

t = [0:Nsamp-1].*(1/F);

f1,1e6,

x0,3,3/2;

x1,x0,1,65*sin(2*pi*f1*t);

x3,x0;

für n=1:2:3

x3.x3 bis 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

Ende

x5,x0;

für n=1:2:5

x5.x5 bis 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

Ende

x7�x0;

für n=1:2:7

x7,x7,3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

Ende

Abbildung

Teillot(221)

plot(x1)

Teillot(222)

plot(x3)

Teillot(223)

plot(x5)

Teillot(224)

plot(x7)

x217;x0;

für n=1:2:217

x217,x217,3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

Ende

Abbildung

Grundstück(x217)

Abbildung

plot(x217,'k')

Halt durch

plot(x1,"b")

plot(x3,'g')

plot(x7,'r')

Halt ab

Achse([8000 12000 -0.5 4])