高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析與研究

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摘 要：在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保信號(hào)的完整性，因此對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)行分析和驗(yàn)證十分必要。當(dāng)下電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度極快，完整性設(shè)計(jì)的重要性也愈加突出，本文將對(duì)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性影響因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)其主要影響因素，提出幾種信號(hào)完整性的仿真分析方法。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)字電路；設(shè)計(jì)；信號(hào)完整性；分析

前言：高速數(shù)字電路有一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，即時(shí)鐘頻率，由于時(shí)鐘頻率不斷提升，信號(hào)完整性也在不斷發(fā)生變化，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)以信號(hào)完整性為導(dǎo)向，在提升時(shí)鐘頻率的同時(shí)，做到對(duì)信號(hào)完整性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保電路運(yùn)行安全。從影響信號(hào)完整性的主要因素著手，探討信號(hào)完整性的分析和驗(yàn)證方法。

一、信號(hào)完整性的主要影響因素

（一）反射影響作用

PCB板是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，對(duì)電路穩(wěn)定性和可靠性有重要影響，在PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須處理好信號(hào)完整性問(wèn)題。但是信號(hào)完整性有多種影響因素，而且對(duì)供電和時(shí)序的穩(wěn)定有直接影響，因此，需要對(duì)信號(hào)完整性的主要影響因素進(jìn)行深入分析。傳輸影響作用是信號(hào)完整性的主要影響因素之一，作為高速數(shù)字電路的基本組成部分，傳輸線組是電流的媒介， 信號(hào)以電流的形式在傳輸線組中通過(guò)，線組的阻力直接決定著電流的流暢性。因此，傳輸線組的阻力上升，會(huì)直接導(dǎo)致信號(hào)完整性下降。當(dāng)傳輸線組上的阻力非常大時(shí)，會(huì)阻礙部分電流通過(guò)，導(dǎo)致另一端接受到信號(hào)時(shí)出現(xiàn)信號(hào)失真現(xiàn)象，使信號(hào)完整性遭到嚴(yán)重破壞[1]。

（二）串?dāng)_影響作用

串?dāng)_是信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)回路中傳輸?shù)囊环N普遍效應(yīng)，信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有害信號(hào)總是具有較快的傳輸速度，再加上相鄰網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響，信號(hào)在傳輸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，其作用是引導(dǎo)信號(hào)，在引導(dǎo)過(guò)程中，磁場(chǎng)線圈繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。因此，串?dāng)_是由靜態(tài)線和動(dòng)態(tài)線兩部分組成的，其各自產(chǎn)生的傳輸阻力不同，這種差異的存在使網(wǎng)絡(luò)中傳輸信號(hào)的電流強(qiáng)度不同。在串?dāng)_模型中，其中性點(diǎn)位置是繞組電壓能夠保持正常的主要影響因素，如果中性點(diǎn)位置處于模型中部，則繞組電壓速率較高，信號(hào)通行能力較強(qiáng)。而中性點(diǎn)位置如果位于模型首部，則會(huì)導(dǎo)致電壓電流無(wú)法通過(guò)，出現(xiàn)定子接地異常[2]。

二、信號(hào)完整性的仿真分析技術(shù)

（一）EDA技術(shù)

EDA技術(shù)即電路仿真技術(shù)，目前在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。EDA技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)方式和仿真測(cè)試驗(yàn)證，將硬件設(shè)計(jì)的操作過(guò)程和測(cè)試過(guò)程轉(zhuǎn)化為軟件處理過(guò)程，極大的提高了數(shù)字電路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度和設(shè)計(jì)效率。相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，EDA技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，目前在高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性驗(yàn)證方面也得到了廣泛應(yīng)用。采用EDA技術(shù)對(duì)高速數(shù)字電路完整性進(jìn)行驗(yàn)證，可以在電路實(shí)現(xiàn)以前完成，避免重復(fù)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的合理性，提高一次性設(shè)計(jì)的成功率。

（二）反射仿真分析技術(shù)

高速數(shù)字電路是數(shù)字電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的重要組成部分，對(duì)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有至關(guān)重要的影響，而數(shù)據(jù)完整性分析則是保證高速數(shù)字電路合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此在數(shù)字電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中占有重要地位。在EDA技術(shù)的支持下，可以通過(guò)模擬電路實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)高低問(wèn)題，為電路設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)信號(hào)完整性加以測(cè)定。反射仿真分析技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵是建立信號(hào)完整性的分析模型，并使驗(yàn)證過(guò)程在PCB生產(chǎn)前進(jìn)行，提前確定信號(hào)完整性是否符合要求，對(duì)PCB電流進(jìn)行模擬，建立反射仿真模型，并利用端接技術(shù)，改變信號(hào)的完整性。這是目前反射仿真分析的主要發(fā)展方向，在該模型建立過(guò)程中，引入了IBIS模型，驅(qū)動(dòng)端和接受端采用IBIS模型對(duì)電路傳輸信號(hào)的完整新進(jìn)行驗(yàn)證。其中，主要運(yùn)用的元件是電流阻力線。

（三）串?dāng)_仿真分析技術(shù)

串?dāng)_仿真分析技術(shù)在EDA技術(shù)的支持下，利用相鄰網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)串?dāng)_作用，建立串?dāng)_仿真分析模型，通過(guò)模型對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。在該類線路仿真設(shè)備維護(hù)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)保護(hù)屏柜內(nèi)存在多條傳輸線路的情況，而且有一部分線路不在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)，多以要對(duì)工作線路和非工作線路加以區(qū)分，并對(duì)臨近傳輸線進(jìn)行隔離。避免傳輸線路在復(fù)雜的工作環(huán)境下出現(xiàn)誤接線等狀況，從而避免設(shè)備跳閘和設(shè)備誤動(dòng)。串?dāng)_仿真分析技術(shù)遵循PCB走線規(guī)律，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行線路的走線和與臨近傳輸線路的作用進(jìn)行信號(hào)完整性模擬驗(yàn)證，判斷是否存在上述問(wèn)題。應(yīng)創(chuàng)新防誤閉保護(hù)方式，提高設(shè)備敏感度，利用電子系統(tǒng)和感應(yīng)系統(tǒng)提高設(shè)備自身的防誤閉能力。針對(duì)目前使用廣泛的接線端子，采用串?dāng)_仿真分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模擬測(cè)試，并采用防誤閉隔離工具在接線端子出進(jìn)行警示和保護(hù)，提高電路運(yùn)行的安全性。

結(jié)束語(yǔ)：總而言之，信號(hào)完整性的分析驗(yàn)證是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)電路的運(yùn)行效率和信號(hào)傳輸效果有直接影響。必須采用有效的分析驗(yàn)證手段，針對(duì)高速數(shù)字電路信號(hào)完整性的主要影響因素，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證。本文主要分析了高速數(shù)字電路信號(hào)完整性的影響因素，包括反射影響作用和串?dāng)_影響作用，并針對(duì)這些主要影響因素，提出采用EDA技術(shù)進(jìn)行信號(hào)完整性分析，通過(guò)建立相關(guān)模型，在PCB板實(shí)現(xiàn)前對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)和合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇海冰，張剛，郭帥. 高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性與電磁兼容性設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，05：14-17.

[2]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，2016，08：231-232.

作者簡(jiǎn)介：

鐘佳宏（1984年-），男，廣東化州人，漢族，現(xiàn)職稱：數(shù)字電路設(shè)計(jì)師，學(xué)歷：本科，研究方向：電子技術(shù)。