高速數(shù)字電路設計中信號完整性分析與思考

魏紅艷

摘 要：提高信號的完整性，是提高高速數(shù)字電路設計水平及性能的主要途徑。本文簡要分析了與高速數(shù)字電路信號完整性有關的因素，強調(diào)了控制各因素的重要性?；诖?，主要從反射、串擾、噪聲三方面出發(fā)，詳細探討了各因素的控制方法。并通過建立仿真模型、觀察仿真效果的方式，證實了本課題所提出的設計方案的有效性。

關鍵詞：高速數(shù)字；電路設計；信號完整性

1高速數(shù)字電路的概念分析

高速數(shù)字電路指的是信號在高速變化和電路模擬特性的情況下發(fā)生變化的電路，其模擬特征主要包括電容、電感等。高速數(shù)字電路主要包括總參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)兩部分，其中總參數(shù)系統(tǒng)中的電流與電壓都不會受到其它因素影響，因此在信號日常傳輸?shù)倪^程中不會出現(xiàn)畸形問題。現(xiàn)階段，分布參數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)字電路設計過程中得到了廣泛應用，同時取得了很好的應用效果，該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是：設計與其實際運行情況接近，并充分考慮了信號傳輸過程的影響因素。

2信號的完整性

簡單來說，信號的完整性實質上指的就是信號在電路中傳輸?shù)馁|量，信號的傳輸路徑可以是金屬線、光學器件，或者其他媒介物質等。當信號完整性良好時，信號在需要的時候具備其需要達到的電壓電平均值。但在實際中，信號往往會受到各種因素影響，從而造成信號完整性變差。其中最為常見的信號完整性問題便是信號反射噪音問題。

3數(shù)據(jù)的高速采集與處理技術要點分析

如圖1所述的數(shù)據(jù)采樣與處理過程示意圖，要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集與處理，就必須使檢測裝置、信號線、數(shù)據(jù)處理單元都能夠滿足相應速度的工作條件。

以常用的電流或電壓傳感器為例，其響應時間就代表著它能夠多快的響應外部激勵，也就決定著其多能實現(xiàn)的最高采樣速度。所以要想獲得有效的高速數(shù)據(jù)首先要從檢測裝置選型做起。

圖1數(shù)據(jù)采樣與處理過程示意圖

信號線對信號質量有著重要的影響，尤其在高頻以及惡劣的電磁環(huán)境下。所以要選滿足對應頻率、屏蔽條件、阻抗特性的信號線，以保證信號質量，確保數(shù)據(jù)的正確性。

4高速數(shù)字電路設計中提高信號完整性的途徑

4.1設計方案

4.1.1反射控制方案

針對不同器件，設計不同的端接模式，是消除或減少反射的主要途徑。實踐中常用的端接方案，主要包括串行端接與并行端接兩種。根據(jù)阻抗匹配以及端接方案的不同，邏輯器件的信號完整性同樣有所不同。

以CMOS工藝的驅動源為例，與其他器件相比，該器件的阻抗值，具有穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。因此，采用串行端接的方式對信號加以控制，即可取得良好的效果。與之相比，TTL工藝驅動源，阻抗值的穩(wěn)定性則較差。此時，建議采用并行端接中的戴維寧端接模式連接，以使反射得以減小，使信號的完整性得以提升。確定端接的過程中，還需注意合理選擇網(wǎng)絡拓撲結構，以獲得最佳的端接效果。

4.1.2串擾控制方案

串擾具有互相抵消的特征，且其數(shù)值與線間距離的大小負相關。如干擾源信號增加，則串擾的強度同樣會有所提升?？紤]上述特征，有關人員可采用以下方法將串擾消除：

（1）增加線距：有關人員可考慮采用jog式走線方式進行布線，以使線距得以延長，最大程度的將串擾消除。

（2）端接匹配的數(shù)量，與串擾的強度通常呈負相關。有關人員可適當增加端接數(shù)量，達到控制串擾的目的。需注意的是，端接數(shù)量的增加，對高速信號線性能的要求較高。

（3）如高速數(shù)字電路的布線空間無限制，工作人員還可通過對線與線之間串擾強度的評估，找出干擾最強的區(qū)域。在此基礎上，取一條地線，將其布置在區(qū)域中，使串擾問題得到解決。

4.1.3噪聲控制方案

地彈效應，是導致噪聲產(chǎn)生的主要原因。為減小噪聲，提高高速數(shù)字電路信號的完整性，可采用以下方法對地彈問題加以控制：（1）工作人員可適當增加Vcc之間的去耦電容數(shù)量，使噪聲得以減少。去耦技術，屬于電路設計中的主要技術之一。當COMS信號出現(xiàn)“0”、“1”變換時，△1噪聲電流必然產(chǎn)生。將去耦技術應用到電路設計中后，邏輯器件運行的穩(wěn)定性將明顯提升，COMS信號出現(xiàn)“0”、“1”變換現(xiàn)象的幾率，同樣會有所降低，信號的穩(wěn)定性隨之提升。（2）適當降低器件的輸出負載，同樣能夠達到減少噪聲的目的。工作人員可直接撤銷一部分負載，或采用驅動器將負載隔離，使高速數(shù)字電路信號的穩(wěn)定性得以提升。

5高速數(shù)字電路設計工作未來的發(fā)展趨勢

5.1噪音小

在實際中要注重對電路中噪音干擾的消除，大大提升了信號的完整性。在高速數(shù)字設計過程中更為謹慎、仔細，將高速數(shù)字電路系統(tǒng)運行作為主要考慮點，注重對信號傳輸過程及其質量的管理和研究，合理的選擇元件，確保電源與阻抗以及負載之間相互匹配，同時各個線路之間距離不斷增加，其環(huán)路面積減小，各個線路之間連接步驟更具有規(guī)范化和流程化，這為線路完整性的不斷提升起到了至關重要的作用。

5.2模擬技術的廣泛應用

模擬電路技術在高速數(shù)字電路設計過程中得到了廣泛應用，通過應用模擬電路技術，不僅提高了電路設計效率，還最大限度的節(jié)約了設計成本，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益，高速數(shù)字電路積極向著高速化的方向發(fā)展，其功能也不斷完善。

6結語

在時代不斷進步的前提下，高速數(shù)字電路也得到了迅速發(fā)展，同時也對信號的完整性提出了更高要求。因此，要充分了解高速數(shù)字電路設計流程以及操作規(guī)范，明確設計要求，通過運用豐富的設計經(jīng)驗和專業(yè)技術，有效解決好阻抗、串擾以及瞬間電流等問題，更好的滿足高速信號傳輸要求。

參考文獻：

[1]李慧敏，樊記明，楊笑.基于STM32和OV7670的圖像采集與顯示系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（9）：114-117.