重新解读高速电路（与高频差异性对比）
究竟什么是高速电路呢？
在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常有几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，DDR4 1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。
信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者根本就停止工作。
1.高速电路的定义
狭义的理解是，通常认为数字逻辑电路的频率达到或者超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统相当的分量，例如三分之一，就称为高速电路。而实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿引发了信号传输的各种问题。所以，当信号所在的传输路径长度大于1/6倍传输信号的波长时，信号被认为是高速信号；当信号沿着传输线传播时，发生了严重的趋肤效应和电离损耗时，认为是高速信号。因此，通常约定如果电路板上信号的传播延迟大于一半数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应，这样的电路就是高速电路。
2.高速与高频区别及联系
大多数的信号完整性书籍，在进行信号完整性研究之前，一般都会先来介绍高速与高频这两个基本概念，从这一点可以知道区分这两个概念的重要性，因为，通过这两个概念可以明确信号完整性分析的对象。对于，高频这个概念理解起来比较简单，它只是对频率的一种描述，大家知道，频率是周期的倒数，高频是高频率，短周期的表述。
再说高速这个概念，回归到速度的概念，速度是表征运动快慢的物理量，在物理学里是位移对时间的微分，也就dS/dt。同样可以应用在电路中指的是，电位移对时间的微分，表征为电压变化的快慢，也就dV/dt，通常我们会表述为上升时间。所以，高速电路是电压变化快，上升时间短的表述。在电路系统中，上升时间的大小对于信号完整性的影响非常大，也是引起信号完整性问题的根源所在。以至于信号完整性分析基本上都是围绕dV/dt来分析和讨论的，而不是对于周期来讨论，这也是高速与高频的本质区别。
所以，从上面对两个概念的描述，可以了解到，高频与高速并没有直接的关系。可以正反举几个例子。例如，当一个时钟信号的频率为50MHz，上升时间为90ps，那么它不是一个高频信号，但它是一个高速信号，也就是频率不高，但上升沿快。又比如，频率为500MHz，上升时间为0.8ns，那么它与上例中信号相比较，频率要高很多，但速度却远比上例的信号低。所以，我们说，信号的高频与高速没有之间的关系。
从另一个角度来看，高速与高频果真没有半毛钱关系吗？其实不然，大家通常会将这两个概念混淆正是因为它二者存在千丝万缕的联系。具体说来，就是随着频率的升高，周期减小，所带来的结果是，我们必须把速度做高，原因是我们必须保证足够的建立时间与保持时间。随着周期的压缩，要想有足够的建立时间与保持时间，就只能使上升时间与下降时间缩短，以此来满足信号的时序有效性的要求。举个栗子，一个信号的频率为100MHz，即周期为10ns，上升时间与下降时间分别为1ns，这样信号的有效采样时间窗口为：（10-1-1）ns，即8ns。如果此信号的频率提高到200MHz时，保持上升时间与下降时间不变的话，采样窗口就变成了（5-1-1）=3ns，而且随着频率的继续升高，采样窗口会继续降低，极端情况会导致无法正确的采样，于是就迫使上升时间与下降时间减小，来满足越来越高的采样时钟频率。总结成一句话，也就是频率的升高必然迫使速度的提高，高频电路的进化导致了高速电路，高频与高速之间是充分条件，而不是必要条件。另外，在信号完整性的分析过程中， 一般着重强调的是高速电路。
高频对于电子器件的影响
简 介： 根据提问，就电子器件的高频特性进行总结。对于工作在高频下的电路不仅需要考虑器件本身特性的变化，还需要对器件周围环境可能存在的耦合影响进行综合考虑。 关键词： 高频，电感
01 器件高频特性
1.1 问题来源
今天（2022-04-09）看到有同学在博文 多股Litz线制作无线耦合线圈测试[1] 后面提问：
老师，我想询问下， 100kHz下，您绕制的线圈电感还是29uH吗？
▲ 图1.1 提问：线圈在100kHz下是否还是29uH
的确，我在博文实验中使用的是 LCR-Reader：SmartTweezer[2] 测量线圈的参数。 SmartTweezer最高测量频率为10kHz，与智能车竞赛中所使用的无线充电频率（150kHz）还相差一个数量级别。
理想电感器件的电感量与工作频率无关。但实际电感器件在低频下的参数（等效串联电感、电阻以及寄生并联电容）与高频下的对应参数会发生改变。
▲ 图1.2 使用SmartTweezer测量线圈参数
1.2 器件高频特性
在2006年“High Frequency Electronics ”的一篇文章中： Fundamentals of Passive Compoment Behavior at High Frequencies[3] 对于高频线无源器件特性变化进行了综述。
文中提到， 在射频（RF），微波、高速以及任何高频电路设计中，需要关注到无源器件的高频特性。电子工程师中的一句老话：“在高频下，所有的器件都是电阻、电感和电容的组合”。 当频率更高时，所有的器件都是传输线 和天线 。
1.2.1 集中参数器件特性
在低频下，普通的电阻的阻抗是个恒定值，电感和电容所对应的电抗（感抗、容抗）则与工作频率有关系。
▲ 图1.2.1 电容和电感对应的电抗与频率的关系
1.2.2 一阶寄生效应
当然我们所使用的实际电子器件并不是简单按照数学公式工作的，它们各自有自己的尺寸、形状，是由一些非理想材料制作而成。 器件的一阶寄生效应是指器件所工作的电信号频率的波长远大于器件尺寸时， 实际器件中额外产生的寄生电阻、电感和电容等。
▲ 图1.2.2 高频下器件特性发生了变化
在实际上的电阻、电感、电容器件中，器件的长、宽、高，导体和绝缘体的特性以及用于固定在电路板上的电极引线等都是器件的组成部分。它们可以产生额外的寄生效应。
电阻 ： 由于其长度可以产生寄生电感； 两个电极之间会产生寄生电容。电容 ： 由于其具有长度所以产生寄生电感； 两个电极之间的电介质的漏电会产生损耗电阻； 它的两个电机引线之间的寄生电容可以合并到电容本身主参数中。电感 ： 在电感的绕组之间存在的电容以及两个电极之间之间也会存在寄生电容； 引线的损耗电阻会随着工作频率的增加而显著增加。除了器件本身的寄生效应之外，当器件焊接在电路板上之后，器件与电路板引线之间、器件与器件之间也会存在着不同的寄生参数。
1.2.3 寄生参数的影响
对于电阻，主要的寄生参数是串联电感。低频下寄生感抗影响并不明显，寄生感抗会随着工作频率的增加而变大。 与其费尽心思采用其他器件对感抗进行补偿，不知使用一些寄生感抗小的电阻，比如“无感 ”电阻就是用了整块或者厚膜电阻材料制成，这比起薄膜电阻对应的寄生电感要小得多。
电容的寄生参数包括介电损耗和串联电感。 寄生电阻影响电容的品质因数Q，这是容抗与电阻之间的比值。寄生电感则会在高频线引起谐振。下面图显示了一个100pf的实际电容随着频率改变对应的参数变化。
▲ 图1.2.3 电容频率特性：（a）容抗；（b）Q；（c）等效串联电阻（ESR）
根据上面电容谐振点的数值，可以看到这款电容具有0.66nH的寄生电感，同时也告诉我们这个电容所能够工作的最大频率范围。
对于电感情况略微复杂一些，它具有绕线间的寄生电容以及电极之间的寄生电容。绕线中的电阻也比电容介电损耗大，所以电感的Q值往往比较低。
下图显示了电感的感抗随着工作频率升高而变大，最终由寄生电容所产生的谐振点处达到最大。 之后对应的电抗急剧下降。
▲ 图1.2.4 电感寄生参数的影响
1.3 环境对器件影响
在公众号后台有同学问道：
桌大您好，我想问一下无线充电组用金属支架支撑板子，对于安装在车模底部的无线充电线圈影响大吗？
这是一个好问题。在高频下， 电路设计中还需要考虑器件与周围环境之间的耦合。 据去年参赛队伍反馈， 无论是电路板，还是金属支架都会影响接收线圈的谐振工作点。 所以，需要在安装后重现调整电路相应参数来保证最大接收功率。 通常情况下调整收线圈的尺寸来保证接收电路的最大功率。
▲ 图1.3.1 疯狂的DC电机
※ 总 结 ※
根据提问，就电子器件的高频特性进行总结。对于工作在高频下的电路不仅需要考虑器件本身特性的变化，还需要对器件周围环境可能存在的耦合影响进行综合考虑。
参考资料
[1]
多股Litz线制作无线耦合线圈测试 : https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/113729058#comments_20742618
[2]
LCR-Reader：SmartTweezer : https://www.smarttweezers.ca/bluetooth.html
[3]
Fundamentals of Passive Compoment Behavior at High Frequencies : https://www.highfrequencyelectronics.com/Jun06/HFE0606_Tutorial.pdf
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