1.1 什麼是高速電路 信號的最高頻率成分是取決於有效頻率，而不是周期頻率。 高速電路的定義是根據信號的有效頻率來計算的，在現實世界中，任何信號都是由多個頻率分量的正弦波疊加而成的。定義各正弦波分量的幅值為VN，則VN = 2 / (3.14 x N)，可見各級諧波分量的幅值與頻率成反比。現實信號，
1.1 什麼是高速電路
信號的最高頻率成分是取決於有效頻率，而不是周期頻率。
高速電路的定義是根據信號的有效頻率來計算的，在現實世界中，任何信號都是由多個頻率分量的正弦波疊加而成的。定義各正弦波分量的幅值為VN，則VN = 2 / (3.14 x N)，可見各級諧波分量的幅值與頻率成反比。現實信號，隨著頻率的升高，其各級諧波分量的幅值比理想方波中相同頻率正弦波分量的幅值下降的更快，直到某級諧波分量。其幅值下降到理想方波中對應分量的70%（即功率下降到50%），定義該諧波分量的頻率為信號的有效頻率，其計算公式為：Fknee = 0.5 / Tr(10% ~ 90%)，其中Tr(10% ~ 90%)為信號上升沿部分的10%~90%，一般在數據手冊中都會給出相應的時間。如圖21.1中所示的t3
圖21.1 某手冊輸出信號上升時間
1.2 區分高速和低速電路
在低速領域，電容和電感可以認為是理想器件，電容和電感工作頻率較低，可以視為斷路，但在高速電路時，電容和電感都不是理想器件。電容和電感就相當於短路，電容C的電抗值為 1 / (2πF x C)，由其公式也可以看出其在高速情況下相當於短路。
所以對於低速而言，由於傳輸路徑上信號各點的電平大致相同，所以可以採用集總式看待傳輸路徑，即傳輸路徑上各點的狀態相同。對於高速電路來說，傳輸路徑上各點的電平都不相同，所以採用分散式的思維來看待傳輸路徑。
所以對於高速和低速的區分，需要考慮信號頻率和傳輸路徑長度。
判斷步驟： 1）獲得信號的有效頻率Fknee 和走線長度 L；
2）利用Fknee 計算出信號的有效波長λknee，，即λknee = C /Fknee ;
3）判斷L與1/6 x λknee之間的關係，若L > 1/6 x λknee，則信號為高速信號，反之為 低速信號；
其中λknee = C / Fknee;其中C是比光速略低的速度，Fknee = 0.5 / Tr(10% ~ 90%)，還需註意的是，若是對於百兆頻率的信號，若是沒有現成的板子，可以對有效頻率Fknee進行估算， Fknee 約為 7倍的Fclock（信號的周期）。
由上述的步驟也可以看出，信號頻率越高，則低速和高速分水嶺的信號線長度越短，反之亦然，
1.3 高速電路中的電容電阻
在第三章的時候已經提到過電容相關的知識，這裡繼續做一些補充。
剛纔上面也提到過關於在高速電路中，電容和電阻不能當做理想元器件看待，那麼在選用電容和電阻時需要註意以下問題：
電阻：
1）0Ω電阻對高速電路設計有重要的意義，在一個CPU相容多個外設器件時，可以用0Ω作為一些周圍器件的連接點；
2）電阻選擇時需要考慮額定功率，而且在特別場合，電阻的精度也決定輸出的電壓值；
3）電阻選擇時有時需要計算，是否適合CPU或者IC的VIH和VIL，否則可能由於電阻選擇的不當，導致不滿足低電平要求；
4）電阻串在具有R,C,L的迴路中，可以影響品質因數Q，Q可以理解為儲存能量與一周期內消耗能量之比。在儲能和選頻電路中，Q越大損耗和濾出其他頻帶信號的能力越好。但在電源電路中Q值儘量不要太大，否則會引起電源信號的振鈴。
5）LC濾波電路中，在電感之後串接一個電阻R，不僅能衰減高頻段雜訊，而且能衰減低頻段雜訊，作為一個整個全頻段衰減器。
電容：
電容在高速電路中會表現出ESR,ESL,以及泄露特性；其作用分別如下：
1）電荷緩衝池：在高速運行器件的電流和功耗是不斷變化的，為了保證器件不隨電流和功耗的劇烈變化而同程度變化，希望電源儘量穩定，而電容恰恰充當這一角色；
2）高頻雜訊的重要泄放通道：在選用電阻時，往往希望其具有較小的ESR特性，使得對高頻信號具有交流耦合，產生對高頻信號產生衰減，所以看到往往在輸入和輸出電源信號會並聯很多電容，這樣是濾掉高低頻交流信號，同時也起到減小ESR值；還有一個好處就是，因為雜訊往往不是一個頻率點，增加多個電容可以占據一段頻帶，可以濾除不同頻帶的雜訊；
3）實現交流耦合：有些場合信號帶有的直流分量對於兩者器件不相容時，可以在一端加上電容，濾掉其直流分量，實現對直流隔離；
1.4 高速電路中的電容ESR和ESL特性
上述對於電容提到ESR，ESL特性，ESR是電容等效於 電阻和電容之間等效電阻構成，ESL是電感和電容的串聯等效電感構成。ESL主要取決於電容的工作頻率，工作溫度，電容本身的導線電阻以及封裝尺寸等。電容的阻抗 Z = 1 / (jwC)，可見其容值越小，對低頻信號的衰減越明顯。
值得一提的是，有時電容並非ESR越低越好，這個主要根據器件的選型確定。在大多數的情況下，較低的ESR可以：1）可以較低功耗；2）可以對高頻信號進行交流耦合，並且在電源和地之間的迴流提供一個較低的阻抗迴路；
電容器件的阻抗--頻率曲線由其電容分量和ESL共同決定的，諧振頻率 F = （ ESL x C ）-1/2，C和ESL越大，頻率越低，適合濾除低頻。C和ESL越小，F越高，適合濾除高頻；（封裝可以影響ESL特性）。上述公式似乎對於工程師所認同的濾除高頻信號選用小電容，濾除低頻信號選用大電容很好的驗證。但是若是考慮ESL的話，並非完全是這樣。如下圖21.2所示：
圖21.2 阻抗--頻率曲線
濾波電容的作用機制是為雜訊等干擾提供一條低阻抗迴路，在雜訊頻率點上，要求濾波電容的阻抗較小，即當雜訊頻率落在諧振點附近時，濾波效果最好。由上述提到的諧振公式，F = （ ESL x C ）-1/2，在諧振點之前，電容起主導作用，在諧振點之後，ESL起主導作用。
在高頻電路中，雜訊往往不在一個頻帶上，而是占據一定的頻帶，為了消除這些雜訊，必須要拓寬濾波頻帶。所以在選擇電容時需要選擇不同的電容構成一個比較寬的低阻抗頻帶，以儘可能的濾除低阻抗頻帶，如下如21.3所示。
圖21.3 濾除雜訊頻帶曲線
下麵討論由於ESL的不同對濾波效果的影響。
圖21.4是0603封裝，阻值分別為1uF，0.01uF的阻抗頻率曲線圖，利用之前的諧振頻率公式，可以畫出其阻抗頻率曲線圖。可以看出封裝相同，即ESL相同，不同阻值之間的，0.01uF並未起到濾除高頻雜訊信號作用。
圖21.4 封裝相同不同阻值
圖21.5是0603封裝的1uF，0402封裝的0.01uF阻抗頻率曲線圖，由於封裝的不同，以及阻值的不一樣，間接影響到ESL值，進而影響到F的值。所以拓寬了濾除雜訊頻帶。
圖21.5 封裝不同不同阻值
有些時候，有些工程師喜歡將多個電容進行並聯在電壓信號輸出地方，這樣做可以起到減小ESR值，但是對於拓寬濾除雜訊頻帶幾乎沒有太大作用，如圖21.6所示。
圖21.6 多個電容並聯
為了進一步說明上述的影響，取0603封裝的0.01uF和0402封裝的0.01uF，畫出阻抗頻率曲線圖，如圖21.7所示，發現確實在阻值一樣，封裝不一樣的情況下，0603封裝的電容並沒有發揮作用。
圖21.7 阻值相同封裝不同
1.5 電容種類之間的不同
常用到的陶瓷電容種類有NPO、X7R、X5R、Y5V，圖21.8是其型號之間的代表意義。
圖21.8 代號之間的意義
在高速電路中，常用的是NPO，X7R，X5R，其中NPO是溫補型陶瓷電容，是電容量最穩定的一種陶瓷電容。使用時應對X7R和X5R進行降額20%應用。
對於鉭電容在使用時應降額50%使用，在涉及熱插拔的電源濾波電路上，應儘量避免使用鉭電容。鉭電容不是和有瞬間電流較大的場合。鋁電解電容不太適合高速電路，適合低頻段濾波，這點註意。
更多關於電容的模擬，可以使用AVX公司的spicap軟體來進行模擬設計。
1.6 去耦電容和旁路電容
去耦電容和旁路電容本質上有相同的作用，都是為雜訊提供一個低阻抗就近流入地平面的迴路，以避免這些干擾影響到該電源的其他負載。
去耦電容作用是為保證期間穩定工作而給器件電源提供的本地“小池塘”，在高速運行的器件上，會不斷產生快速變化的電荷需求，電源模塊無法及時給器件提供電流以補充，只能依靠附近的電容給予解決。
1.7 高速電路中的電感
在高速電路中，電感作用有如下描述：
1）通直流，阻交流
在DCDC直流電源是通過開關MOSFET管以形成所需的電源電壓。開合過程會有大量的交流分量，而這些交流分量是直流電源所不需要的，Z = jwL，頻率越高，電感阻抗越大，反之，電感阻抗越小。
2）阻礙電流變化，保持器件工作電流的穩定
電感是導線繞制而成，當線圈中的電流發生變化時，線圈感應出電動勢，以產生與電流反方向的感應電流，以阻礙電流的這種變化，保持器件工作電流的穩定。
3）濾波
基於電感和電容，構成低通濾波器，對雜訊進行濾除。
所以在選用電感時需要註意一下信息：
1）電感值
高頻信號電感值一般在0.6 ~ 390nH，一般信號電感 0.01 ~ 1000uH，電源電感 1 ~ 470uH
2）直流電阻
一般而言，電感值越大，其對應的直流電阻也越大，損耗也越大。
3）自諧振頻率
此參數應該儘量選擇自諧振頻率高於工作頻率，電感值越大，其自諧振頻率越小。當工作頻率低於自諧振頻率時（F = 1/(2π根號（LC）)），電感值基本保持穩定，但當工作頻率高於自諧振頻率時，電感值先會增大，到達一定的頻率之後，會迅速減小。
4）額定電流
電感值越大，其對應的額定電流越小，磁珠必須工作在額定電流以內。
1.8 高速電路中的磁珠
在之前講解電容和電感時，電容可以起到濾除雜訊作用，LC電路也可以濾除雜訊，但是其作用機理只是改變了雜訊的傳輸路徑，並未真正消除。很多時候磁珠和電感的作用相當，有時可以互相替換，但是磁珠和電感還有一定的區別：
1）電感濾波是將電能轉化為磁能，一種是將此能量重新換回電能，轉換成雜訊，一種是向外部輻射，表現為EMI（電磁干擾）。而磁珠是將電能轉化為熱能。
2）電感一般對低頻濾波較好，高於50MHz濾波效果較差。磁珠利用其電阻成分，可以充分吸收高頻雜訊。
3）從EMC（電磁相容）的層面說，磁珠是將高頻雜訊轉換成熱能，具有很好的抗輻射功能，常應用於用戶介面信號線濾波，單板上的高速時鐘器件的電源濾波等。
4）一般而言，電源用電感的額定電流相對較大，因此電感常用於需要通過大電流的電源電路上，如電源模塊，而磁珠一般用於晶元級濾波。
5）磁珠和電感都有直流電阻，一般磁珠要比電感小些。
選擇磁珠時，需要註意磁珠的轉換點頻率和自諧振頻率。如下圖21.9所示。磁珠在一定頻帶內能反射雜訊，在一定頻帶內能吸收雜訊。
磁珠的阻抗Z由電阻成分R和電抗成分X共同決定，在低頻階段X起主要作用，主要是反射雜訊，在高頻階段，R其主要作用是吸收雜訊，轉化成熱能。轉換點頻率就是R和X相交的地方，轉換點以下的頻率，主要是體現電感性，轉換點以上的頻率，主要體現是電阻性。所以在磁珠選型時，要考慮雜訊的頻率要高於磁珠的轉換頻率，這樣能夠吸收雜訊，信號的頻率要小於磁珠的轉換頻率，以免削弱信號。在圖21.9中，當工作頻率高於諧振頻率，磁珠表現為電容性，阻抗會迅速衰減，因此應選擇諧振頻率高的磁珠。
圖21.9 磁珠特性
