上升时间与信号带宽有何关系?

电器工程 传输线 带宽 上升时间
2022-01-14 06:27:08

比如说,我想限制我的数字信号边沿的上升时间,以避免处理传输线效应。

知道我的上升时间是 5ns,我如何确定信号中谐波的最大频率?

知道接收器芯片上的保持时间是 10ns,我如何确定低通滤波器的转角频率?

在维基百科中,我找到了公式

$$ BW=\frac{0.34}{t_{上升}} $$

它适用于这种情况吗?


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我没能说清楚,所以我将尝试解释我的思路。

比如说,我有一个 30HMz 信号,我的走线长度远低于波长的 1/10。因此,我不必为此处理传输线效应。但我的边缘很陡 - 5ns。这会在我的信号中添加一些高频分量,这些分量可能会受到传输线效应的影响。

我的想法是,我将边缘转换减慢到我不必处理传输线现象的程度。问题是双重的:

  • 如何计算给定走线长度的最快上升/下降时间将使我能够将我的电路视为“集总”?
  • 如何减慢上升/下降时间?

上升/下降时间是电压从最大值的 10% 变为 90% 的时间。我知道如何计算 FR4 板上信号的大致速度。

4个回答

上升时间和带宽之间没有一对一的关系。压摆率限制器是非线性滤波器,因此不能直接表征为具有明显滚降频率的低通滤波器。在时域中考虑它,您会看到压摆率限制会影响与幅度成正比的信号。限制为 5 V/µs 的 5 Vpp 信号的周期不能短于 2 µs,此时它会退化为 500 kHz 三角波。但是,如果幅度只需要 1 Vpp,那么极限是 2.5 MHz 的三角波。由于在涉及非线性滤波器时带宽的概念变得不太清楚,因此您最多只能大致谈论它。

您的答案也可能有很大差异,具体取决于“上升时间”究竟是什么。这是一个在没有某些限定的情况下绝不应该使用的术语。即使是一个简单的 RC 滤波器也有不明确的上升时间。它的阶跃响应是指数级的,没有一个明确的“终点”。因此它的上升时间是无限的。如果没有一个阈值来确定您需要被认为已经上升到多近的结束,那么“上升时间”一词是没有意义的。这就是为什么您需要讨论上升时间到最终值的特定部分或转换速率的原因。

因此,您所建立的方程式完全是错误的,至少没有一组限定条件。也许这些是在您从中获得它的页面上找到的,但是在不相关的情况下引用它是错误的。你的问题以目前的形式无法回答。

添加:

您现在说真正的问题是限制尖锐边缘的高频,以便部分信号不会进入您的电线成为传输线的频率范围。这与上升时间几乎没有直接关系。由于真正的问题是频率内容,请直接处理。最简单的方法可能是 RC 低通滤波器。将其设置为在信号中感兴趣的最高频率之上滚降,并且远低于您的系统不再被视为集总的频率。如果这些之间没有频率空间,那么你就不能得到你想要的。在这种情况下,您需要使用较低带宽的信号、较短的电线,或处理电线的传输线方面。

在您的情况下,您说感兴趣的最高频率是 30 MHz,因此将滤波器调整到该频率或更高一点,比如说 50 MHz,因为这将使您想要的信号几乎完好无损。50 MHz 的波长在自由空间中为 6 米。您没有说传输线的阻抗是多少,但让我们计算一下传播速度将是光速的一半,这会在电线上留下 3 米的波长。为了安全起见,忽略传输线问题,您希望电线的波长为 1/10 或更小,即 300 毫米或大约一英尺。因此,如果电线的长度为 1 英尺或更短,那么您可以添加一个 50 MHz 的简单 RC 滤波器,然后就不用管它了。

传输线效应不会突然出现在相对于线长的某个神奇波长处,所以多长太长是一个灰色区域。高达 1/4 的波长通常足够短。如果它是“长”的,那么最好的办法是在另一端使用一个阻抗控制的驱动器和一个终结器。但是,这很麻烦,并且还会将信号衰减一半。您要么在接收器处处理较低的幅度,要么在发送器处将其提升,然后再除以驱动阻抗和传输线特性阻抗。

一个可能需要一些实验性调整的更简单的解决方案是简单地将一个小电阻器与驱动器串联并完成它。这将与电缆的电容和周围的任何其他杂散电容形成一个低通滤波器。它不像刻意的 RC 那样可预测,但要简单得多,而且通常足够好。

该公式就是我们通常所说的拐点频率。它基于信号的 10%-90% 上升时间,通常用作一个近似值,以告诉我们在我们使用的数字信号中感兴趣的最高频率可能是多少。或者说一种更好的方法,可以找到该信号的大部分高频能量含量。如果您的通道可以通过该带宽,那么理论上您将不会看到信号的任何滚动或上升时间衰减。当然,在实践中还有其他因素,如反射会影响您的信号。Mentor 的 Tom D 在 SI-LIST 上给出了很好的解释

我更想知道您的频道使用的长度和材料。它是否足够长,您需要考虑传输线效应(长于四分之一波长,有人会说是 1/6 波长)。我不知道您在帖子中在做什么,所以只是想提供一些一般性建议。如果您不需要它,尝试以某种方式减慢您的上升时间,这本身并不是一个坏主意,前提是您的驱动程序可以处理您使用的过滤器负载而不会炸毁。

为什么不确保使用正确的传输线结构/电缆并正确端接?我相信你有你的项目的理由,所以只是一个建议;)

您引用的公式用于将涉及边缘发射的信号的 BW。并且其中内置了一些假设,例如,大多数处于中间摆动的数字信号看起来像是一个电流源进入一个在顶部和底部逐渐变细的电容器(即线性斜坡)。将其用于传输线的反射等问题并滚降也是有效的。

但它不涉及约 1/t(上升)的谐波。即你会在频谱中看到这个 200 MHz 的杂散。

对于接收器,您必须查看眼图以确保满足您的保持时间。这是一个时域场景。因此,您可以在其中放置有助于满足您的时序的电路元件,并且在事物的频率方面不可见。因此,您的 BW 可用于描述与保持时间交互的事物,但您不一定可以直接从 BW 导出保持时间。建模或测试台是这里的方法。

不确定我是否完整阅读了所有帖子,但关于原始帖子(来自具有 5ns 上升时间的人)。您应该阅读 Howard Johnson 或 Lee Ritchey 博士的书籍。他们详细解释了这一点。

不要试图减慢信号,除非在特殊情况下,否则不需要这样做。

如果你想摆脱理论上的混乱并找到一个实际的解决方案,你可以使用这个:如果走线的长度超过边缘上升时间所代表的飞行时间的 1/5,你有一个传输线并且需要终止。在实际情况下,使用介电常数约为 4 至 4.6 的 FR4 或等效材料,传播时间约为 5.5 英寸/纳秒。对于 5ns 的上升时间,您有一个大约 27.5 英寸长的边缘过渡。如果你取其中的 1/5,你会得到 5.5 英寸。因此,如果您的 PWB 走线长度超过 5.5 英寸,您应该使用串联终端电阻来匹配阻抗(用于点对点连接)。

如果你有 50 欧姆的走线,电阻应该是 50 欧姆减去驱动器的源阻抗(对于反射波串联端接)。从 20 欧姆电阻开始。如果过度超调(超过 5%),请将其变大,如果边缘滚落,则将其变小。不一定要完美才能获得好的结果。理想情况下,每次都使用 Hyperlynx 软件进行模拟并获得接近完美的结果。

顺便说一句,该方程 .34/Trise 是实际应用的有效方程。上升时间通常被认为是信号电压从 10% 到 90% 的时间(任何例外都不适用于您正在做的事情)。为了在您的设计中更加保守,请使用 .5/Trise。