數(shù)字信號完整性問題和電源完整性問題

2016-12-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

文 | 吳均一博科技高速先生團隊隊長

高速先生平臺好幾次的“民意”調查,電源話題的呼聲都是高居榜首。順應大家的要求,電源話題也就正式開篇了。有人說,上周不是已經發(fā)了一篇“電流充放電”的文章了嗎?呵呵,順序上的一點點小失誤,權當電源系列的暖場吧。

對我自己來說,這一年的工作有點小小的困惑,好像用于交流的時間多過用于技術研究的時間。當然,交流碰撞出來的火花,也會給技術帶來更多的思路。這不,在一次培訓中,就有朋友說,你怎么用一句話來說清楚什么是信號完整性和電源完整性呢?

我當時想了想,做出了這樣的回答:

信號完整性就是解決發(fā)送1、接收就是1;而發(fā)送0,接收就是0的問題!

電源完整性呢,就是解決發(fā)出來1V(nV),到了用電端,還是1V(nV)的問題,頂多允許5%的誤差。

數(shù)字信號完整性問題

雖然是電源的開場白,我們還是總結下信號的完整性。經常和我交流高速設計的朋友,都知道我有一個經典的比喻,用大學里面的三門課來解釋什么是信號完整性:

《數(shù)電》《模電》《電磁場》,這三門課只要是電子相關專業(yè),在大學的時候都會接觸。數(shù)電主要講0和1之間的邏輯關系,模電關心模擬信號的波形,電磁場從更高的維度來解釋電路工作的原理。

低速時代,數(shù)電就是數(shù)電,數(shù)字信號的好處就是通過“0”和“1”碼流傳遞信息,抗干擾能力強。工程師就不用考慮噪聲,專心解決電路功能和邏輯的問題。

高速的第一階段,從模電的角度來解釋數(shù)電的問題。也就是下圖我們見過無數(shù)遍的公式,由于0、1碼對應的載體,也就是“波形”其實是“模擬”的。進入這個階段之后,由于傳輸線的分布參數(shù)效應,接收端收到的0、1碼由于“波形”的畸變,判斷出錯,所以工程師得從模電的角度,來關心數(shù)字信號的過沖,下沖,反射,串擾,振鈴等問題。

數(shù)字信號完整性問題和電源完整性問題HFSS仿真分析圖片1

高速的第二階段,從微波電磁場的角度來解釋數(shù)電的問題。通常認為信號到了GHZ以上,由于導體的趨膚效應更加明顯,介質漏電效應開始突出,傳輸線的損耗變得不可忽視。同時數(shù)字信號的波長進一步減少,也來到傳統(tǒng)微波電磁場所關心的領域。于是這個階段研究數(shù)字信號的工具和方法,基本和微波射頻沒什么區(qū)別。

所以,考慮數(shù)字信號完整性的最重要的一個前提就是信號的上升時間,當然另一個說法就是信號的波長。只要上升時間或者說波長沒有到需要考慮信號完整性問題的時候,數(shù)字就是數(shù)字,不需要過度設計。

電源完整性問題

那么,考慮電源完整性問題最重要的前提是什么呢?當然各方面因素會很多,讓我來總結的話,我會說是電流的大小。

電源從VRM傳到用電的IC,不管中間的路徑是走線,還是銅皮,或者是電纜,電阻是必然存在的物理量。我們假設傳輸1伏的電壓,路徑上有5毫歐的電阻,流過1安培電流,路徑上損耗的電壓就是5毫伏。對于1伏的電壓來說,5毫伏可以忽略不計。但是如果傳輸10安培電流呢,路徑上損耗的電壓就是50毫伏,這個對于1伏的電壓來說已經不能忽略不計了。并且路徑上損失的電壓最終也會轉成熱能,帶來散熱的問題。這個也就是我們通常說的電源的直流問題,包含了壓降、載流、溫升、散熱等領域。

同樣的,電源從VRM傳到用電的IC,中間路徑不可避免會有電感存在。而IC端用電,電流也不是一個恒定值。變化的電流△I,在路徑上的電感就是感應出△V,這也就是通常所說的電源噪聲。電流越大,一般來說對應的△I也就可能越大,一定的電感下,感應出的△V也就越大。這個也就是我們通常說的電源的交流問題,包含了噪聲、紋波等。

所以,影響電源完整性考慮的最大因素,我認為是電流大小,電流小的時候,設計難度不大,當電流增大時,電源設計的問題變得越來越難。

而現(xiàn)在的數(shù)字電路設計,電流已經在變得越來越大。單軌道電流幾十安培甚至上百安培已經經常出現(xiàn),電源完整性的話題也就被業(yè)內越來越重視。高速先生會分兩個系列來“圍毆”電源問題,首先我們來討論電源的直流問題,大體的規(guī)劃如下:

數(shù)字信號完整性問題和電源完整性問題HFSS仿真分析圖片2