第1章 概述

1.1 低速设计和高速设计的例子

本节通过一个简单的例子，探讨高速电路设计相对于低速电路设计需要考虑哪些不同的问题。希望读者通过本例，对高速电路设计建立一个表象的认识。至于高速电路设计中各方面的设计要点，将在后续章节展开详细的讨论。

【案例1-1】简化的存储电路模块

图1.1是一个经简化后典型的存储模块原理图。对于同样的简化原理图，根据以下两种不同的客户需求，需要设计不同的存储系统，一种是低速系统，一种是高速系统。

1.1.1 低速设计

第一个客户需求是，设计一套机床台面振动监测系统，要求每20ms（ms：毫秒）检测一次振动信息，然后把数据存储到存储器内，每分钟把存储器内存储的3000个数据读取出来，并做一定的运算处理（该算法的实现方式是，读取一个数据即处理一次，数据处理完成即丢弃），得到一个体现一分钟内振动量的值，并在显示器上显示，数据读取和处理的过程不超过1s（s：秒），在此期间，可以暂停数据采样。

首先进行需求分析。这是一套采样速率为0.02秒/次的采样系统，每0.02s对振动信息采样一次并存储到存储器里，则每60s需要对3000个数据进行运算处理并通过串口，将运算结果传送出去。振动传感器的选型及其放大电路的设计不在本例中讨论，本例主要研究该监测系统的存储部分。另外，假定传感器输出电信号的采样值用8位二进制，即一个字节表示。

从成本以及功能考虑，可以选择由单片机及小容量存储器组建存储系统。

U1选择某款51系列的单片机，主频为12MHz（MHz：兆赫兹），外部总线的最高运行速率可达1MHz，U2选择为能和该单片机直接接口的小容量RAM（随机存储器）。在本例中，采样速率的要求是50Hz（每0.02s采样一次），则存储器写入的速度可设定为0.0025秒/位（0.02秒/8位），假定单片机对数据的处理时间相对于读取时间可以忽略，则存储器读取速度可设定为42微秒/位（1秒/3000/8位）。

主要芯片选型完成后，进行详细设计。

该电路耗电不多，因此电源U3选用LDO（低压差线性稳压器），电 容C1是电源的去耦电容，根据U3器件资料的要求，选取为10μF（μF：微法）。本设计所要求的数据传输速率较慢，是一个典型的低速电路，可以采用集总式系统的思维来分析。在设计中需要考虑以下要点：

（1）CPU和存储器选型。选择51系列的单片机和小容量的RAM，这在需求分析阶段已经完成。

（2）总功耗。即U1、U2全速运行时，整个电路板的最大功耗，要求电源U3必须能提供该最大功率，且还留有20%的裕量。例如，U1的最大功耗是140mW（mW：毫瓦），U2的最大功耗是60mW，则要求U3至少能提供240mW的功率。如果U1、U2的工作电源电压VCC都是5V，则要求U3至少能提供电流50mA（mA：毫安）。

（3）电源U3选型。根据第4章的内容，可以选择低成本且应用简单的LDO类型的电源器件，如7805。

（4）电容C1选型。根据第4章的内容，选择10μF钽电容。

1.1.2 高速设计

第二个客户的需求是，设计一套应用在以太网交换机的主控板，该交换机需要支持12个GE（GE：千兆以太网）口，且支持三层交换。本例仍仅讨论存储部分的设计。

简化后的原理图仍然采用图1.1，不过在本例中，我们将采用不同的芯片来组建高速电路。这是一个典型的高速电路，需要采用分布式系统的思维来分析。

（1）CPU选型。在三层交换机中，主控板CPU需要支持全系统的控制链路，还需要支持以太网的很多特性。经过仔细的性能分析后，U1选用内部工作频率达1.5GHz（GHz：吉赫兹，1GHz =103MHz）的Freescale公司的PowerPC：MPC8547。

（2）存储器选型。根据性能需要，U2选用Micron公司的数据速率达667Mbps（Mbps：兆比特位每秒）的DDR2 SDRAM DIMM条，总容量为1GB（GB：吉字节）。本书第7章将详细讨论DDR2 SDRAM存储器的选型与应用。

（3）电源选型。为简化描述，此处仅考虑MPC8547和DDR2 SDRAM DIMM条之间共同的电源1.8V，并假设图1.1中VCC为1.8V。U3需选择能输出1.8V的DC/DC电源芯片，具体选型考虑的因素将在本书第4章中介绍。DC/DC电源芯片的工作需要配合电感、MOSFET（金属半导体场效应管）、电容等器件。对电感、电容等器件的选型，可参考本书第2章的内容，对MOSFET器件的选型，可参考本书第4章的内容。

（4）电容C1选型。C1可选择为220μF的钽电容，具体选型的依据将在本书第4章中介绍；根据U1和U2的工作电压，C1的额定电压可以选择为6.3V；根据PCB（PCB：印制电路板）的空间要求，电容的尺寸可选择为2412（将在本书第2章中介绍）；为保证U1和U2的稳定工作，要求电容精度达到10%；由于运行速度高，该电容还需要有较小的ESR（等效串阻）以实现快速响应。对电容的选型，将在第2章中详细介绍。

（5）除C1以外，还需要给VCC提供其他电容，以滤除电源电路上的干扰。在本书第4章和第8章中将介绍，当器件高速运行时，在电源VCC上将产生较大的高频噪声，为了保证高速器件获得干净的电源，需要在U1和U2的每个VCC电源引脚处，就近放置一个容值为0.1μF或者1μF的陶瓷电容；根据PCB上可使用的面积，建议选择小尺寸封装的电容，如0402尺寸；在功耗较大的设计中，还应考虑温度稳定性，需要选用X7R的电容类型；根据器件工作电压，电容的额定电压可选择为10V。这一部分的选型，涉及本书第2、4章的相关内容。

（6）逻辑器件选型。在U1和U2之间，如果由于速率或者工作电压不同而无法直接接口，则还需要用到逻辑器件以实现桥接，可参考本书第3章的相关内容进行逻辑器件的选型和应用。

（7）时序分析。高速电路中，信号在PCB上的走线长度对器件的时序要求至关重要，本书第5章将详细介绍时序分析和设计的方法。

（8）复位和时钟电路设计。MPC8547有多种复位要求，如上电复位、硬件复位、软件复位等，同时还要求提供多种时钟（如内核工作时钟，接口时钟等），关于复位和时钟电路的详细设计要求，可参考本书第6章的内容。

（9）原理图和PCB的设计。经过前面的步骤，在完成对各种器件的选型后，对原理图的绘制，可参考本书第1章的内容，而对PCB的设计，可参考本书第8章的内容。

（10）防护和EMC（电磁兼容性）设计。对高速接口，还需要参考本书第8章的内容，以进行防护和EMC设计。

（11）调试。设计完成后，需要验证电路的功能。该设计属于高速设计，因此，还需要对单板上的电源、高速信号等进行相关测试，相关内容将在第4、7、8章介绍。

由此可见，相对低速电路设计，高速电路设计要求设计者考虑的因素更多，本书的后续章节，将一一探讨这些内容。