高速數(shù)字電路中的信號傳輸性

寧宏新

摘 要

目前，高速數(shù)字電路的應(yīng)用越來越廣泛，所以高速數(shù)字電路在前期設(shè)計和生產(chǎn)時，對于高速數(shù)字電路中的信號傳輸性問題應(yīng)該給予重視，因為高速數(shù)字電路信號傳輸性是否完整會對相關(guān)的電子設(shè)備和元器件正產(chǎn)工作產(chǎn)生重要的影響。本文在查閱大量相關(guān)資料的前提下，首先論述了高速數(shù)字電路的基本概況，其次探討了影響高速數(shù)字電路信號傳輸性的原因，并且提出相應(yīng)的解決措施。

【關(guān)鍵詞】高速數(shù)字電路 傳輸性 解決措施

通常情況下，絕大多數(shù)人以為電路運行時的效率高于50MHz時，線路就能夠被稱作高速電路。但是，真正的定義是依據(jù)信號沿變化的真實速度，因為信號沿變化的速度與高頻傳輸效應(yīng)的產(chǎn)生有一定的關(guān)系，速度越快，發(fā)生的概率就會越高。當線路在實際建設(shè)中時，影響高速數(shù)字電路信號傳輸性的因素有很多，例如信號的反射現(xiàn)象、地彈以及線路之間的串擾都會對其產(chǎn)生影響。

1 高速數(shù)字電路的概況

高速數(shù)字電路在前期設(shè)計時不僅要準確的考慮邏輯上的準確性，其他的因素也要考慮在內(nèi)，比如電路中的電器容量、電磁感應(yīng)以及電阻等，相對于低速電路，高速電路在前期設(shè)計時不僅要注重提高導(dǎo)線的感抗和導(dǎo)線間的感性耦合，對于容抗和容性耦合也要重視。每一根導(dǎo)線都有自身體積方面的特征，隨之也會有相對應(yīng)的電感電容，所以會給完整的電路帶來相應(yīng)的感抗與容抗（X1）。針對兩者數(shù)值之間的計算公式一般有如下兩個：

Xc=1/（2πFkneeC）=Tr/（πC） （1）

X1=Lπ/Tr （2）

公式中的 表示電路導(dǎo)線的臨界頻率，電容就是公式中的字母C，公式中L表示為電感，通過上述的公式可知，F(xiàn)knee代表的數(shù)值較大時，或者說當信號的變化速度快時，感抗和容抗的數(shù)值是不易忽略。

當有兩個導(dǎo)體時，前提條件是兩個導(dǎo)體不能進行連接，在其中一個導(dǎo)體上施加一定電壓時，在這個導(dǎo)體的周圍會形成一個電場，而且形成的電場會對導(dǎo)體上電荷的流動產(chǎn)生一些反應(yīng)，因此會出現(xiàn)容性耦合的現(xiàn)象。當導(dǎo)體內(nèi)存在流動的電荷時，在導(dǎo)體周圍便會產(chǎn)生一定的磁場，與此同時，產(chǎn)生的磁場也會對流動的電荷發(fā)生一定的反應(yīng)，從而出現(xiàn)感性耦合現(xiàn)象，雖然感性耦合和容性耦合一般會不作考慮，可是在導(dǎo)體中電流變化比較快的情況下，就要考慮對信號傳輸產(chǎn)生的影響。通過以上論述的特點，高速電路在設(shè)計的時候應(yīng)該考慮信號反射和信號之間的串擾給電路信號傳輸性帶來的不良影響。

2 影響高速數(shù)字電路傳輸性的問題與措施

2.1 信號反射問題與解決措施

通常情況下，當傳輸線內(nèi)的阻抗沒有連續(xù)時，便會出現(xiàn)信號反射的現(xiàn)象。例如圖1，圖1顯示的是電路傳輸圖，圖中的R0表示為信號的驅(qū)動源內(nèi)阻，Z0表示為傳輸線L內(nèi)的特性阻抗，負載阻抗便是途中顯示的RL。

在現(xiàn)實性況下，一般會用R0=Z0=RL來表示，在這種情況下，傳輸阻抗表現(xiàn)出來的狀態(tài)是連續(xù)性的，反射的現(xiàn)象不會發(fā)生。假如RL>R0，負的一端變回產(chǎn)生過剩的能量，過剩的能量便會反射到源端，一般稱這種現(xiàn)象為欠阻尼，如果兩端之間的關(guān)系發(fā)生相反時，負載便會消耗更多的能量，當反射給前端后，前端就會繼續(xù)輸送更多的能量，一般稱這種情況為過阻尼。這兩種情況的出現(xiàn)都會發(fā)生反向傳播形式的波形，進而對信號的傳輸性產(chǎn)生干擾。

但對于電路和電路板來說，他們的非理想特性會產(chǎn)生傳輸性損耗、非無窮大阻抗以及非零輸入阻抗，這些情況的發(fā)生會使得信號震蕩的狀態(tài)表現(xiàn)為一阻尼震蕩。因此，電路信號反射在現(xiàn)實中出現(xiàn)時，觀察的重點應(yīng)該放在第一次發(fā)射和第二次反射是否正常，觀察后在具體分析發(fā)生的原因，然后在對癥下藥。

2.2 地彈問題和解決措施

當數(shù)字電路在運行狀態(tài)下時，一般只存在高電平電壓和低電平電壓。如果數(shù)字邏輯輸出的電壓由高變低時，這個電子器件的接地管腳便會發(fā)生放電反應(yīng)，進一步發(fā)展便會產(chǎn)生開關(guān)電流。當數(shù)字電路的傳輸速度越快，所要求的開關(guān)時間便會越短，當絕大多數(shù)的開關(guān)電路一起由高電壓轉(zhuǎn)變到低電壓時，這些開關(guān)電路便會造成邏輯地電壓出現(xiàn)波動，一般稱這種現(xiàn)象為地彈。地彈對電路傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在雙時鐘反應(yīng)，這種反應(yīng)會對寄存的輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤，進而造成邏輯上的錯誤判斷。通常情況下要從地彈造成的影響來分析，一般會降低負載器件的數(shù)量，或者使用驅(qū)動隔離器或者串接10Ω到30Ω電阻的方式來降低地彈所帶來的干擾。

2.3 串擾問題及解決措施

串擾自身就是比較復(fù)雜的電路現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因有很多，當兩個導(dǎo)體電路內(nèi)的電路方向不一樣時，串擾會比電流方向一樣時大很多，而且會增加干擾信號的頻率，帶來的串擾輻值也會因此而提升。解決措施要從三方面入手，

（1）將兩線的距離盡可能的加大。

（2）將底層和信號線之間的垂直距離盡可能的縮短。

（3）將兩線的平行長度能可能的縮小。

要注意的是，最好的辦法就是增加兩線之間的距離。其他方法的效果一般不太明顯。

3 結(jié)語

綜上所述，影響高速數(shù)字電路信號傳輸性因素較多，要想保證信號傳輸?shù)耐暾跃鸵獜碾娐吩O(shè)施在設(shè)計和建設(shè)過程中的每個細節(jié)進行分析，例如電源地的穩(wěn)定、材料的導(dǎo)電性、信號層的次序以及連線的長度等。所以，在電路建設(shè)過程中，相關(guān)的工作人員要認真仔細的建設(shè)電路設(shè)施，讓人們能夠享受到高效和穩(wěn)定的電網(wǎng)和電壓，為人們的生活保駕護航。

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作者單位

廣西師范學(xué)院師園學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000