2020年新编信息与通信工程专业英语(第2版)-韩定定(6)

前不曾用到过的知识。然而，许多当前的数字系统设计师不具有现代高速设计所需要的知识。这个事实导致了技术循环中大量的误导信息。通常，人们认为高速设计的概念很神秘。然而，因为所需知识达不到，这个问题并没有解决。事实上，许多相同的概念在电子工程的其它学科如无线频率设计及微波设计中已经使用了好几十年了。问题是所需科目的参考书要么太抽象不能被数字设计师立即应用，要么太实际以至于没有包含能够完整理解该学科所需的足够理论。该书将着眼于数字设计领域，解释所需的概念以便于工程师或学生去理解、解决当前乃至将来可能遇到的问题。值得注意的是本书中的所有内容都曾成功应用在现代设计中。

2. 基础

如同读者所知，数字设计的基本概念是用1 或0 代表信号传输信息。典型情况下，数字设计包含发送及接收一系列如图1 所示的梯形电压信号，其中高电压代表 1 低电压代表0。

携带数字信号的传输路径是相互连通的。连接包括从发送信号的芯片到接收信号的芯片中的所有电通路。这包括芯片包、连接件、插座及无数个附加结构。一组连接件被称为一条总线。一个由数字接收机区分高电压和低电压的电压范围被称为门限区域。在该区域中，接收机可

以判为高电平也可以被判为低电平。在芯片上，实际的开关电压随着温度、电压、芯片处理过程及其它参数变化而变化。从一个系统设计师的角度来看，有高电压门限和低电压门限，被称为Vih 和Vil ，高于接收芯片的高电压门限或低于接收芯片的低电压门限的信号可以保证在任何情况下都能被收到。因此为了保证数据的完整性，系统设计者必须保证在任何条件下，所发送的高电压不能——甚至是一小会儿的时间，低于Vih ，低电压必须一直低于

Vil。

为了使一个数字系统的运行速度最大化，在门限电压区域的不确定时间应被最小化。这意味着数字信号的上升或下降时间必须越短越好。理想情况下，信号上升或下降速率应该无

限大，实际上由于许多实际因素的影响而不会这么理想。实际中，几百皮秒的边沿速率是可

以达到的。读者通过傅立叶变换可验证到，边沿速率越大，信号的频谱越高，也意味着难度更大。每个导体都有电容，电感及与频率有关的电阻。当频率足够高时，这三个无一可以被忽略。因此一根导线将不再是一个导线，而是一个具有延迟和传输阻抗的分布式寄生元件，表现在从一个芯片到接收芯片的过程中就是传输的波形中具有信号扭曲及短时脉冲干扰噪声。导线变成了一个元件，与其周围的任何元件包括电源及地线配成对。一个信号不完全存在于导体本身中，而是当前所有的磁场和电场的合成。一个连接中的信号可能影响另一个连接中的信号或被另一个连接中的信号所影响。更进一步说，在高频时同一个连接的不同部分之间如包、连接件及弯曲之间都会存在复杂的相互影响。所有这些高频效应趋向于产生奇怪的、歪曲的波形。这确实给了设计者一个全新的高速逻辑设计视图。连接附近的每个结构部件的物理及电气特性对于保证合适的信号以合适的时序在Vih 和Vil 之间传输这样看起来简单的任务起着至关重要的作用。这些特性也决定着系统会将多少能量辐射至空气中，并可以此判断该系统是否符合官方的辐射要求。在以后几章中我们将看到如何计算这些。当一个导体必须被看作为一个分布式的电感和电容时，它就被称为是一个传输线。通常情况下，要根据如何满足感兴趣信号的最高频率所要求的波长来决定电路的物理尺寸大小。在数字设计领域，由于边沿速率决定着所含信号的最大频率，你可以比较信号上升沿及下降沿时间与电路板大小的关系，如同图2 所示。在一个典型的电路板上，信号以光速的一半的速度传输（确切的公式会在后续章节中介绍）。因此一个500 皮秒的边沿速率占据的电路板的边缘长度大约3 英寸。通常情况下，任何长为边沿速率1/10 的电路必须当作一条传输线来考虑。

高速设计中一个最困难的方面事实上是有很多相互影响的变量影响着数字设计的输出。有一些变量是可控制的而有一些是具有随机性的。高速设计的难点之一是如何处理许多变数，无论它们是可控的还是不可控的。通常情况下，可以通过忽略或假定变量的值使问题得到简