高速數字電路中的信號傳輸性

寧宏新

摘 要

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

【關鍵詞】高速數字電路 傳輸性 解決措施

通常情況下，絕大多數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的產生有一定的關系，速度越快，發生的概率就會越高。當線路在實際建設中時，影響高速數字電路信號傳輸性的因素有很多，例如信號的反射現象、地彈以及線路之間的串擾都會對其產生影響。

1 高速數字電路的概況

高速數字電路在前期設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，比如電路中的電器容量、電磁感應以及電阻等，相對于低速電路，高速電路在前期設計時不僅要注重提高導線的感抗和導線間的感性耦合，對于容抗和容性耦合也要重視。每一根導線都有自身體積方面的特征，隨之也會有相對應的電感電容，所以會給完整的電路帶來相應的感抗與容抗（X1）。針對兩者數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，Fknee代表的數值較大時，或者說當信號的變化速度快時，感抗和容抗的數值是不易忽略。

當有兩個導體時，前提條件是兩個導體不能進行連接，在其中一個導體上施加一定電壓時，在這個導體的周圍會形成一個電場，而且形成的電場會對導體上電荷的流動產生一些反應，因此會出現容性耦合的現象。當導體內存在流動的電荷時，在導體周圍便會產生一定的磁場，與此同時，產生的磁場也會對流動的電荷發生一定的反應，從而出現感性耦合現象，雖然感性耦合和容性耦合一般會不作考慮，可是在導體中電流變化比較快的情況下，就要考慮對信號傳輸產生的影響。通過以上論述的特點，高速電路在設計的時候應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，當傳輸線內的阻抗沒有連續時，便會出現信號反射的現象。例如圖1，圖1顯示的是電路傳輸圖，圖中的R0表示為信號的驅動源內阻，Z0表示為傳輸線L內的特性阻抗，負載阻抗便是途中顯示的RL。

在現實性況下，一般會用R0=Z0=RL來表示，在這種情況下，傳輸阻抗表現出來的狀態是連續性的，反射的現象不會發生。假如RL>R0，負的一端變回產生過剩的能量，過剩的能量便會反射到源端，一般稱這種現象為欠阻尼，如果兩端之間的關系發生相反時，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。這兩種情況的出現都會發生反向傳播形式的波形，進而對信號的傳輸性產生干擾。

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

2.2 地彈問題和解決措施

當數字電路在運行狀態下時，一般只存在高電平電壓和低電平電壓。如果數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生放電反應，進一步發展便會產生開關電流。當數字電路的傳輸速度越快，所要求的開關時間便會越短，當絕大多數的開關電路一起由高電壓轉變到低電壓時，這些開關電路便會造成邏輯地電壓出現波動，一般稱這種現象為地彈。地彈對電路傳輸的影響主要表現在雙時鐘反應，這種反應會對寄存的輸入的數據產生錯誤，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量，或者使用驅動隔離器或者串接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雜的電路現象，造成這種現象的原因有很多，當兩個導體電路內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 結語

綜上所述，影響高速數字電路信號傳輸性因素較多，要想保證信號傳輸的完整性就要從電路設施在設計和建設過程中的每個細節進行分析，例如電源地的穩定、材料的導電性、信號層的次序以及連線的長度等。所以，在電路建設過程中，相關的工作人員要認真仔細的建設電路設施，讓人們能夠享受到高效和穩定的電網和電壓，為人們的生活保駕護航。

參考文獻

[1]張靖.高速數字電路信號完整性方針設計與驗證[D].西安電子科技大學，2013.

[2]鄧集杰，劉鐵根，褚備等.高速視頻處理系統的信號完整性分析[J].電子測量與儀器學報，2009，23（06）：34.

[3]董剛，李躍民，楊銀堂.兩相鄰耦合ELC互聯的串擾估計[J].電路與系統學報，2006，11（02）：150.

[4]曹燕麗，孟利民.高速電路中傳輸耦合的反射和串擾仿真[J].杭州電子科技大學學報，2009，23（6）：34.

作者單位

廣西師范學院師園學院 廣西壯族自治區南寧市 530000