探析高速數字電路中信號反射的分析與對策

孟海濤

（太原理工大學，太原 030024）

探析高速數字電路中信號反射的分析與對策

孟海濤

（太原理工大學，太原 030024）

當前我國微電子技術發展迅猛，人們對數字系統的工作頻率要求不斷提高，然而在數字系統工作頻率不斷提升的情況下，信號的完整性成為了一個關鍵性問題。對此，本文分析了信號反射噪聲的形成，以及相應的解決方法。

高速數字電路；信號反射；反射噪音；對策分析

1 引言

通常來說，高速數字電路指的就是當工作頻率到達一定數值，且占有數字系統一定份額的電路。在實際中，僅僅通過頻率去判斷某一電路是否是高速數字電路是不科學的。除了頻率外，還應該將信號傳輸的延遲時間和信號上升的時間納入判斷標準。通常來說，當頻率符合高速數字電路要求，且信號傳輸延遲時間大于信號上升時間的20%即為高速數字電路。從目前來看，我國在電子系統設計中已經全面進入高速、高頻設計領域，并且隨著我國IC技術工藝的發展，在高速數字系統中我國驅動器的上升沿和下降沿已經開始步入ps量級。在這種前提下，電路信號反射噪聲問題便成為了一個關鍵性問題。

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 高速數字電路信號反射噪音的形成

在高速數字電路中，信號的傳輸是在PCB上沿著傳輸線進行傳輸。當信號在傳輸中受阻，導致信號傳輸不連續時，部分能量會沿著傳輸線從受阻點或不連續點沿著傳輸線返回，也就是信號反射。信號反射的大小與信號在傳輸中所受阻抗失配程度有關，通常來說，失陪阻抗的大小與信號反射的大小是呈正相關關系，阻抗失配越大，信號反射越大；阻抗失配越小，信號反射越小。[1]當信號在傳輸中受阻產生信號反射時，往往都會導致上沖、下沖、以及振鈴現象，從而造成信號反射噪音。

4 端接技術

在高速數字系統中，傳輸線與阻抗不匹配極易造成反射噪音的出現，而要解決之一問題，最有效的方法就是根據傳輸線的阻抗特性，對傳輸線的發送端或接收端進行阻抗匹配，通過阻抗匹配，從而使傳輸線反射系數歸零。通常來說，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單的處理方法，該端接方法主要是通過電阻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，降低電路信號反射噪音。而將傳輸線終端匹配到Vcc主要是為了增強驅動器的功能，從而利用驅動器來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題的常用方法，該法主要是將一個電阻R連接在驅動器輸出端和信號線之間，相當于為驅動器增加了一個電阻元件。相對于并行電阻匹配技術來說，這種電阻匹配技術消耗的功率是最小的，一方面采用串行端接不會導致信號線與地線之間出現額外電阻，另一方面端接匹配技術也不會為驅動器造成額外直流負載。因此，從效果上看，串行端接較并行端接是具有一定的優勢的。如圖2所示。

圖2 串聯端接匹配示意圖

5 拓撲結構

5.1 總線結構

總線結構是一種最為常見的信號連接方式，它是一種將驅動器和負載按照一定的順序連接在信號線上。在總線結構中，信號線的分支要求盡可能短。在總線結構中，離驅動器越近的信號，受到的干擾越嚴重中，因此離驅動器越近的信號反射干擾也就越嚴重。而離驅動器較遠的信號，由于受到的干擾較小，因此信號反射干擾也較小。究其原因來說，近端信號受干擾程度較高主要是由于近端信號是多點反射，因此，近端信號受到的反射干擾是多點反射綜合的結果。

5.2 星形結構

星形結構是將負載分布在驅動器周圍，并將負載和驅動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。

總的來說，不同的拓撲結構對信號波形具有較大的影響，合理的拓撲結構往往能夠使信號的波形保持在一個較好的狀態。信號的波形與連線的總長度有關，連線越長，離驅動源越近的信號波形就越差。在這種情況下，應盡量將采用緩沖器件將電路系統中的高速電路和低速電路分開。另外，信號反射與驅動器的驅動能力有關，通常來說低輸出電阻，高輸出電流的驅動器造成的信號反射較為嚴重。因此，想要解決信號反射問題還需要合理的選擇驅動器。

6 結束語

綜上所述，信號反射噪音在高速數字電路中是一個較為常見的現象，想要解決之一問題需要對造成信號反射的原因進行分析，其主要原因在于造成高速數字電路信號反射的原因多種多樣，只有找到造成信號反射噪音的源頭，才能夠有效地解決之一問題。通常來說，造成高速數字電路信號反射的原因與傳輸線的阻抗特性以及采用的拓撲結構有關，想要解決電路信號反射問題，需從以上兩個方面進行解決。

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

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

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.007

TN79，TP331.2

1672-7274（2017）11-0025-02