高速數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字電路信號完整性有關的因素，強調了控制各因素的重要性。基于此，主要從反射、串擾、噪聲三方面出發，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：高速數字；電路設計；信號完整性

1高速數字電路的概念分析

高速數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生變化的電路，其模擬特征主要包括電容、電感等。高速數字電路主要包括總參數系統和分布參數系統兩部分，其中總參數系統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的過程中不會出現畸形問題。現階段，分布參數系統已經在數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，該系統的主要優勢是：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的質量，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數據的高速采集與處理技術要點分析

如圖1所述的數據采樣與處理過程示意圖，要想實現數據的高速采集與處理，就必須使檢測裝置、信號線、數據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的最高采樣速度。所以要想獲得有效的高速數據首先要從檢測裝置選型做起。

圖1數據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，確保數據的正確性。

4高速數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，具有穩定性強的優勢。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。考慮上述特征，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量，達到控制串擾的目的。需注意的是，端接數量的增加，對高速信號線性能的要求較高。

（3）如高速數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，找出干擾最強的區域。在此基礎上，取一條地線，將其布置在區域中，使串擾問題得到解決。

4.1.3噪聲控制方案

地彈效應，是導致噪聲產生的主要原因。為減小噪聲，提高高速數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“0”、“1”變換時，△1噪聲電流必然產生。將去耦技術應用到電路設計中后，邏輯器件運行的穩定性將明顯提升，COMS信號出現“0”、“1”變換現象的幾率，同樣會有所降低，信號的穩定性隨之提升。（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，使高速數字電路信號的穩定性得以提升。

5高速數字電路設計工作未來的發展趨勢

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。在高速數字設計過程中更為謹慎、仔細，將高速數字電路系統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，其環路面積減小，各個線路之間連接步驟更具有規范化和流程化，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，還最大限度的節約了設計成本，給企業帶來更大的經濟效益，高速數字電路積極向著高速化的方向發展，其功能也不斷完善。

6結語

在時代不斷進步的前提下，高速數字電路也得到了迅速發展，同時也對信號的完整性提出了更高要求。因此，要充分了解高速數字電路設計流程以及操作規范，明確設計要求，通過運用豐富的設計經驗和專業技術，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設計[J].傳感器與微系統，2016，35（9）：114-117.