【科普贴】如何区分高速信号和低速信号

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在电路设计中,对高速信号和低速信号是进行区别对待,相对于低速信号,高速信号电路设计需要设计者考虑的因素更多。比如阻容的选型、PCB走线、EMC设计、时序设计等等。

那么多高的信号才算是高速信号?

信号周期频率Fclk高的才是属于高速信号,我们往往会有这样的认识误区,其实这个认识是不要正确的。实际上设计中需要考虑的最高频率往往取决于信号有效频率(称为转折频率。其实就是上升沿,或下降沿所用时间的倒数)Fknee。

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如上图,T是信号的时钟周期,tr(10%~90%)是信号的上升时间,那么信号的周期频率和有效频率分别定义为:

信号的周期频率:Fclk=1/T

信号的有效频率:Fknee=0.5/ tr(10%~90%)

认清楚上面的误区后,我在回到如何区分低速信号和高速信号的问题上来。

低速信号为传输路径上(PCB走线或导线上)各点电平大致相同的信号,高速信号为传输线上(PCB走线或导线上)各点电平存在较大差异的信号。由此可见,区分高速信号和低速信号,不仅取决于信号频率,还取决于传输路径(PCB走线或导线上)的长度,仅仅依据信号频率,并不能做出信号属于高速还是低速的结论。

一般而言,在信号传输路径的长度(即信号线长度)小于信号有效波长的1/6时,可以认为传输路径上,各点电平状态近似相同

信号波长与信号频率关系如下:λ=C/F

λ:信号波长

C:信号在PCB上传输的速度,该速度略低于光速,通常按照光速计算

F:信号频率

在C是常数的前提下,λ与F成反比,即信号频率F越高,其波长越短,则低速与高速的分水岭是信号线的长度,反之亦然。

因此,在信号频率已知的情况下,可以确定低速和高速的分水岭是信号线长度,显然,根据上文,此处讨论的信号频率要采用信号的有效频率Fknee,不是信号周期频率Fclk。

综上所述:区分高速信号和低速信号步骤如下

第一步:获得信号的有效频率Fknee和走线长度L

第二步:利用Fknee计算出信号有有效波长λknee

第三步:判断L与1/6λknee之间关系,若L>1/6λknee,则信号是高速信号,反之则为低速信号

在以上步骤中,还需要注意以下几点:

1、 如何获取信号的有效频率Fknee?有现成单板的情况下,可以直接测量信号10%~90%的上升时间,在计算出Fknee即可。如没有现成电路测量,可以假设信号上升时间为信号周期的7%,此时信号有效频率Fknee约为周期频率Fclk的7倍,如周期频率为100MHz的时钟信号,可以估计其有效频率为700MHz。

2、 上面的第一点,对于极高的信号,如1GHz的信号,并不成立。极高信号的上升沿很缓,上升时间可能达到周期频率20%。因此使用上面的公式判断已经没有意义。

判断极高频率信号,属于高速信号还是低速信号,本身也是没有意义的事情。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-602578.html

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