信号带宽和上升沿时间

我们在抽取高速信号的S参数时避不开的一个环节是设置仿真带宽,经常听到有人讲要设置基频(奈奎斯特频率)的4倍or 5倍带宽,如果是这样,就有一个问题:如果是56Gbps的NRZ信号,那仿真带宽真要设置到100G以上吗?这么宽的带宽,计算时间和所耗费的资源可想而知!第二个常见的问题是:我们在测试或者仿真TDR的时候发现,激励源的上升时间不一样,TDR结果有时候差异巨大,这到底是怎么回事?

下面我们就来一起讨论一下信号带宽、上升沿和TDR等相关的信息。

1.几个公式的由来

我们在看一些书籍的时候(如蓝色经典),经常看到这么一些公式:

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或者

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BW为信号带宽,单位为GHz, Tr表示上升边沿10%-90%电平的边沿时间,单位为ns.首先讲这个式子是如何获得.

在Eric Bogatin的书中,他给出了一条拟合曲线,这条曲线的关系可以用上述第一个表达式近似表示:

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如何从数学上得到这个式子呢?

考虑一个单极点的滤波器,最简单的模型就是RC滤波器,之所以用RC单极点滤波器考虑此问题,是因为PCB板上的传输线的行为可以用一个单极点的滤波器来表征,是低通特性,这符合我们的认知。用RC建立单极点滤波器,如下图所示:

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我们同时对结果做几点标注,如图所示:

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对于上面RC低通滤波器电路,根据电路知识(解法见末尾)可以得到电容处电压的表达式为:

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其中

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称为时间常数,当模型固定后,这是一个常数。像上图中的电路,就可以计算出这个常数。如果我们求10%电压所对应的时间t1,再求出90%电压所对应的时间t2,相减即可以计算出上升时间,即:

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实际上,这里的RC可以用另外一个术语来表达,即3dB带宽,即:

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由此与以Hz为单位的带宽联系起来则有:

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由此可得:

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那0.5/Tr又是怎么来的呢?我们下次接着讲。

RC一阶电路响应

电路图如下图所示:

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由基本电路知识可得:

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(2)式带入(3)可得:

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由微积分知识可得,该式的通解可写为:

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带入边界条件:

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即可得:

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带入式子(5),则可得:

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