【电磁兼容】01 高速电路入门知识

1.什么是高速电路？

一般情况下，我们在讨论电路的特性时，一个基本的常识，是认为一条导线上各处的电压（或者说信号）在同一时刻是相等的。

以上结论在低速电路时是没问题的，但是，实际上，电信号的传递也是有速率限制的。当电路中信号的频率高到一定程度，信号的变化还没有从导线的源端传递到目的端，源端的信号又发生了新的变化，就会出现同一条导线上各点的电压不同，这时我们就没法用以往数字电路和模拟电路的基础理论去分析了，这涉及到了高速电路的一些特性。

高速电路和低速电路并没有一个明显的界线。高速电路和低速电路的区别，在于用分布式系统还是集总式系统的思维来研究电路，低速信号在分析时可以看作为集中成一点，而高速信号在传输路径上各点电平各不相同。一些文献将信号的传输路径长度大于λ/6（1/6波长）时，认为是高速信号。实际上，当电路中信号的波长与走线长度在一个数量级上时（或者波长比走线更长时），就要当成高速信号来考虑。

比如，百兆网卡的通信线，最高速率为100MHz，那么它的波长λ=c/100M（c是光速），求出λ=3m，这个信号如果通过路由器连接到计算机，那么波长和路径长度相当了，要当成高速信号来看待；如果在印制板上走线，长度不超过几公分，那么可以认为是低速信号。

这里要注意，高速信号并不一定是频率很高的信号。有些RS-485的信号线，传输长度1km时，即使信号波特率只有几百k，也要看作是高速信号。还要注意，高速电路是数字电路中的概念，因为数字信号是方波，实际上包含了很高的频率分量，不是用数字信号的周期去算波长，而是用数字信号的上升时间/下降实际来估计最高频率再得到波长，如下图，用tr和tf来计算：

2.研究高速电路要注意的问题

1）电阻、电容、电感都不是理想器件

在高速电路两种，电阻、电容、电感等器件不再是理想的特性了，相当于电阻、电容、电感它们组合的特性。

如电阻的高频等效电路：

下图描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系，低频时电阻的阻抗是R，然而当频率升高并超过一定值时，寄生电容的影响成为主要的，它引起阻抗的下降；当频率继续升高时，由于引线电感的影响，总的阻抗上升，引线电感在很高的频率下代表一个开路线或无限大阻抗：

电容的高频等效电路：

电容器的阻抗绝对值与频率的关系如下图所示，由于存在介质损耗和有限长的引线，电容显示出与电阻同样的谐振特性，当频率高过谐振频率后，表现为电感特性：

电感的高频等效电路：

当频率低于谐振点时，表现为电感特性；接近谐振点时，电感的阻抗迅速提高；当频率继续提高时，寄生电容的特性变得明显，阻抗逐渐降低：

在高速信号的路径上，导线也不再是理想的，它可以等效成电阻、电感、电容组合而成的电路：

2）信号的反射、过冲、振铃

在传输线上，如果阻抗不匹配，信号在传输到阻抗不连续点时会产生反射，使得信号失真。当失真变得严重时就会产生信号识别失败，同时信号的失真也会使得电路对于噪声的敏感性增加。

数字信号跳变沿的过冲、振铃，很多情况下也是由于信号反射引起的，是信号经多次反射后和原信号叠加引起的。如下图的示例：

3）信号的延时和时序错误

高速信号由于上升时间相对于传输路径来说很短，两路需要同步的信号如果到达目的端的时刻不一样，则可能使得读取的电平错误，或者读到中间电平态。

4）信号串扰

串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号。在高速电路中，一般信号的上升沿也比较陡，也更容易引起信号线间的串扰。串扰一般由分布电容和分布电感引起，如下图所示：

5）电磁辐射

高速电路一般来讲比低速电路频率更高，系统加电运行时，会对周围环境辐射更多的电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。

同时，高速电路由于自身对阻抗、串扰、延时等等的敏感性，也更容易受到外界的电磁干扰。在设计时要特别考虑。

好了，本节内容是高速电路专题的第一课，讲了一些基本概念和需要研究的问题。后续会有更多更详细的高速电路相关内容讲解。

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