我们在之前章节分析了带宽与信号边沿时间有直接的关系,所以即使有相同的时钟频率,也可能会有不同的边沿时间和带宽。即,带宽取决于信号的边沿时间,而非信号频率(同样,定义传输线也是按照信号边沿时间和传输延时的比例关系,而非信号频率与传输延时的关系)。
因此我们要树立起一个观念,在高速信号领域,信号边沿时间的重要性是要高于信号频率。
只是在很多情况下,信号频率与信号边沿时间是息息相关的,即:信号频率越高则信号边沿时间越小。
时钟信号带宽
如下图所示,从原则上讲边沿时间和时钟的唯一约束是:边沿时间一定小于周期的50%。
但实际设计中,边沿时间一般要求小于时钟周期的10%,为了带宽计算方便(BW = 0.35/RT),估计边沿时间为时钟周期的7%;虽然这样估算可能有些情况下稍显严格,但更加严格的理论要求对电路系统的兼容性和可靠性更好。
如此,我们可以来计算时钟信号的带宽:
BWclock
= 0.35/(0.07*Tclock)
= 5*Fclock
得到时钟信号的带宽是信号频率的5倍,或则说其最高正弦频率是信号频率(基频)的5次谐波。
2,互连(PCB走线)带宽
互连带宽是指:能被互连传输且未造成有效损耗的最高正弦波分量。
对于有损传输线来说,导线损耗和介质损耗对高频分量的衰减要大于低频分量的衰减,这种选择性衰减使得互连中传播信号的带宽降低。
互连的“有效”最高频率分量指的是:传输线频率分量幅度减小3dB(幅值70%)。如下图所示,理想方波通过有损传输线传输,从理论分析来说:低于8GHz的各个频率分量都能被传输,而且前后幅值大致相同。
互连带宽是对互连所能传输信号的最短边沿的度量,举个栗子:假设互连带宽为1GHz,那么它所能传输的最快边沿RT=0.35/1GHz=350ps(本征边沿时间);如果边沿时间为350ps的信号进入互连,那么由如下公式输出边沿时间:
RT²out = RT²in + RT²interconnect
RTout =√(350ps²+350ps²) = 495ps。
如果要使得互连对信号边沿时间的影响不超过10%,那么互连的本征上升沿要小于该信号上升沿的50%,也就是说:互连的带宽要大于信号带宽的2倍;为传输1GHz带宽的信号,互连带宽至少需要2GHz。
RTout =√(350ps²+175ps²) = 391ps。
此时互连带宽对信号边沿的影响是:391ps-350ps=41ps。大约为10%。
3,测量带宽
测量带宽是指:有足够准备度的最高频率分量。
对于在时域工作的测量仪器,它的测量带宽取决于它能输出到被测元件的信号的最快边沿。
如下图所示,测量所得快速阶跃边沿时间为52ps,那么边沿带宽为0.35/52ps=7GHz,这是时域反射计输出端信号的带宽。
为保证信号能被正确测量,最好使测量的带宽可以超过信号的带宽。经验上我们一般采用如下准则:测量带宽(示波器带宽+探头的系统带宽)要高于被测,信号频率(信号基频)的5倍以上。才能保证被测信号的完整性。