探析高速數(shù)字電路中信號(hào)反射的分析與對(duì)策

孟海濤

（太原理工大學(xué)，太原 030024）

探析高速數(shù)字電路中信號(hào)反射的分析與對(duì)策

孟海濤

（太原理工大學(xué)，太原 030024）

當(dāng)前我國(guó)微電子技術(shù)發(fā)展迅猛，人們對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的工作頻率要求不斷提高，然而在數(shù)字系統(tǒng)工作頻率不斷提升的情況下，信號(hào)的完整性成為了一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。對(duì)此，本文分析了信號(hào)反射噪聲的形成，以及相應(yīng)的解決方法。

高速數(shù)字電路；信號(hào)反射；反射噪音；對(duì)策分析

1 引言

通常來(lái)說(shuō)，高速數(shù)字電路指的就是當(dāng)工作頻率到達(dá)一定數(shù)值，且占有數(shù)字系統(tǒng)一定份額的電路。在實(shí)際中，僅僅通過(guò)頻率去判斷某一電路是否是高速數(shù)字電路是不科學(xué)的。除了頻率外，還應(yīng)該將信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間和信號(hào)上升的時(shí)間納入判斷標(biāo)準(zhǔn)。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)頻率符合高速數(shù)字電路要求，且信號(hào)傳輸延遲時(shí)間大于信號(hào)上升時(shí)間的20%即為高速數(shù)字電路。從目前來(lái)看，我國(guó)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)全面進(jìn)入高速、高頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并且隨著我國(guó)IC技術(shù)工藝的發(fā)展，在高速數(shù)字系統(tǒng)中我國(guó)驅(qū)動(dòng)器的上升沿和下降沿已經(jīng)開始步入ps量級(jí)。在這種前提下，電路信號(hào)反射噪聲問(wèn)題便成為了一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

2 信號(hào)的完整性

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，信號(hào)的完整性實(shí)質(zhì)上指的就是信號(hào)在電路中傳輸?shù)馁|(zhì)量，信號(hào)的傳輸路徑可以是金屬線、光學(xué)器件、或者其他媒介物質(zhì)等。當(dāng)信號(hào)完整性良好時(shí)，信號(hào)在需要的時(shí)候具備其需要達(dá)到的電壓電平均值。但在實(shí)際中，信號(hào)往往會(huì)受到各種因素影響，從而造成信號(hào)完整性變差。其中最為常見的信號(hào)完整性問(wèn)題便是信號(hào)反射噪音問(wèn)題。

3 高速數(shù)字電路信號(hào)反射噪音的形成

在高速數(shù)字電路中，信號(hào)的傳輸是在PCB上沿著傳輸線進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號(hào)在傳輸中受阻，導(dǎo)致信號(hào)傳輸不連續(xù)時(shí)，部分能量會(huì)沿著傳輸線從受阻點(diǎn)或不連續(xù)點(diǎn)沿著傳輸線返回，也就是信號(hào)反射。信號(hào)反射的大小與信號(hào)在傳輸中所受阻抗失配程度有關(guān)，通常來(lái)說(shuō)，失陪阻抗的大小與信號(hào)反射的大小是呈正相關(guān)關(guān)系，阻抗失配越大，信號(hào)反射越大；阻抗失配越小，信號(hào)反射越小。[1]當(dāng)信號(hào)在傳輸中受阻產(chǎn)生信號(hào)反射時(shí)，往往都會(huì)導(dǎo)致上沖、下沖、以及振鈴現(xiàn)象，從而造成信號(hào)反射噪音。

4 端接技術(shù)

在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸線與阻抗不匹配極易造成反射噪音的出現(xiàn)，而要解決之一問(wèn)題，最有效的方法就是根據(jù)傳輸線的阻抗特性，對(duì)傳輸線的發(fā)送端或接收端進(jìn)行阻抗匹配，通過(guò)阻抗匹配，從而使傳輸線反射系數(shù)歸零。通常來(lái)說(shuō)，傳輸線的阻抗匹配主要具有兩種短接方式，一是并行端接方式、二是串行短接方式。

4.1 并行端接

并行端接是解決傳輸線阻抗不匹配最簡(jiǎn)單的處理方法，該端接方法主要是通過(guò)電阻R將傳輸線的末端接地或接至Vcc。這種端接方式，可以使返回通路吸收的電流超過(guò)電源提供的電流。[2]而將傳輸線接地主要是為了將終端匹配到地，從而利用地上的吸收能力，降低電路信號(hào)反射噪音。而將傳輸線終端匹配到Vcc主要是為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的功能，從而利用驅(qū)動(dòng)器來(lái)消除或減少反射噪音。如圖1所示。

圖1 并行端接匹配示意圖

4.2 串行端接

串行端接同樣是一種解決傳輸線阻抗不匹配問(wèn)題的常用方法，該法主要是將一個(gè)電阻R連接在驅(qū)動(dòng)器輸出端和信號(hào)線之間，相當(dāng)于為驅(qū)動(dòng)器增加了一個(gè)電阻元件。相對(duì)于并行電阻匹配技術(shù)來(lái)說(shuō)，這種電阻匹配技術(shù)消耗的功率是最小的，一方面采用串行端接不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線與地線之間出現(xiàn)額外電阻，另一方面端接匹配技術(shù)也不會(huì)為驅(qū)動(dòng)器造成額外直流負(fù)載。因此，從效果上看，串行端接較并行端接是具有一定的優(yōu)勢(shì)的。如圖2所示。

圖2 串聯(lián)端接匹配示意圖

5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5.1 總線結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)是一種最為常見的信號(hào)連接方式，它是一種將驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載按照一定的順序連接在信號(hào)線上。在總線結(jié)構(gòu)中，信號(hào)線的分支要求盡可能短。在總線結(jié)構(gòu)中，離驅(qū)動(dòng)器越近的信號(hào)，受到的干擾越嚴(yán)重中，因此離驅(qū)動(dòng)器越近的信號(hào)反射干擾也就越嚴(yán)重。而離驅(qū)動(dòng)器較遠(yuǎn)的信號(hào)，由于受到的干擾較小，因此信號(hào)反射干擾也較小。究其原因來(lái)說(shuō)，近端信號(hào)受干擾程度較高主要是由于近端信號(hào)是多點(diǎn)反射，因此，近端信號(hào)受到的反射干擾是多點(diǎn)反射綜合的結(jié)果。

5.2 星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)是將負(fù)載分布在驅(qū)動(dòng)器周圍，并將負(fù)載和驅(qū)動(dòng)源直接連接的一種連接方式。采用該種連接方式，可以降低傳輸線原阻抗，其作用和串行端接類似。

總的來(lái)說(shuō)，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)波形具有較大的影響，合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往能夠使信號(hào)的波形保持在一個(gè)較好的狀態(tài)。信號(hào)的波形與連線的總長(zhǎng)度有關(guān)，連線越長(zhǎng)，離驅(qū)動(dòng)源越近的信號(hào)波形就越差。在這種情況下，應(yīng)盡量將采用緩沖器件將電路系統(tǒng)中的高速電路和低速電路分開。另外，信號(hào)反射與驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力有關(guān)，通常來(lái)說(shuō)低輸出電阻，高輸出電流的驅(qū)動(dòng)器造成的信號(hào)反射較為嚴(yán)重。因此，想要解決信號(hào)反射問(wèn)題還需要合理的選擇驅(qū)動(dòng)器。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，信號(hào)反射噪音在高速數(shù)字電路中是一個(gè)較為常見的現(xiàn)象，想要解決之一問(wèn)題需要對(duì)造成信號(hào)反射的原因進(jìn)行分析，其主要原因在于造成高速數(shù)字電路信號(hào)反射的原因多種多樣，只有找到造成信號(hào)反射噪音的源頭，才能夠有效地解決之一問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，造成高速數(shù)字電路信號(hào)反射的原因與傳輸線的阻抗特性以及采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，想要解決電路信號(hào)反射問(wèn)題，需從以上兩個(gè)方面進(jìn)行解決。

CA Technologies首席執(zhí)行官在CA World’17發(fā)表主題演講

2017年11月16日，CA Technologies首席執(zhí)行官M(fèi)ike Gregoire宣布CA World ’17開幕并發(fā)表主題演講。他強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造力對(duì)于發(fā)掘轉(zhuǎn)型機(jī)遇的重要性，并鼓勵(lì)企業(yè)和IT界高管將創(chuàng)新力和執(zhí)行力結(jié)合在一起，并尋求類似CA這樣的合作伙伴，通過(guò)先進(jìn)的軟件解決方案加速實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值，幫助企業(yè)激發(fā)創(chuàng)造力。

CA Technologies在CA World’17上展示了超過(guò)20余種產(chǎn)品創(chuàng)新和提升，這些解決方案為廣大公司提供了適應(yīng)和響應(yīng)變革、以及推動(dòng)現(xiàn)有科技投資以實(shí)現(xiàn)未來(lái)成功的能力。從內(nèi)部部署到云計(jì)算，以及兩者之間的所有服務(wù)，CA可以提供業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品、解決方案和專業(yè)技能，幫助企業(yè)移除阻礙，在競(jìng)爭(zhēng)中一馬當(dāng)先、出奇制勝。

[1] 李雙力．基于高速數(shù)字電路中的信號(hào)完整性分析[J]．信息通信，2016(8):231-232

[2] 吳華娟．基于高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析與研究[J]．工程技術(shù):文摘版，2016(8):00179-00180密技術(shù)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.007

TN79，TP331.2

1672-7274（2017）11-0025-02