高速數字電路設計技術的應用分析

丁勝平 彭森

摘 要：本文對高速數字線路進行概述，指出影響高速數字線路信號傳播完整性的原因，列舉了高速數字線路的具體應用，并對高速數字線路設計技術的未來進行了展望。

關鍵詞：高速數字電路；設計技術；應用分析

信號傳輸是信息化時代的基礎之一，高速數字線路在信號傳播和處理上發揮著重要的作用。高速數字線路的設計是復雜的，需要專業的設計人員，隨著當下對高速數字線路要求的提升，也進一步提升了設計的難度。

一、高速數字電路概述

1.1 高速數字電路概念

高速數字電路中，電容、電感等電路模擬特性會因為信號的高速變化而產生變化，有兩個重要的參數對高速數字電路的設計產生重要影響，分別是集總參數系統和分布參數系統。集總參數系統是一個理想的狀態，在這樣的狀態下，并不會有其他因素影響電路的電流和電壓，信號也不會在傳輸中被損壞，在實際的應用中很少出現。分布參數系統設計則是充分考慮信號傳輸過程中將會受到的影響，與數字電路的實際運行情況十分接近，廣泛應用在高速數字電路的設計當中。

1.2 高速數字電路設計當中可能出現的問題

高速數字電路設計是一項復雜的工作，具有極強的專業性要求，設計技術影響著設計的有效性。很多因素都會影響信號的傳輸質量，這就導致高速數字線路的設計結果無法滿足使用的需求。高速數字線路的設計中，如何保證信號完整性是設計中的重要問題，如果沒有完整地將信號進行傳輸，信號抵達目的地時就會失真，數據無法保持正確性、相關控制信號和地址也會發生錯誤，從而造成系統工作錯誤，當問題嚴重時甚至會造成系統崩潰。有三個方面會影響到高速數字電路所傳輸信號的完整性：因信號傳輸線未知的阻抗不匹配引起反射噪音；電磁耦合增加所造成的信號串擾；信號傳輸過程中瞬間出現較大電流，影響線路電壓，降低信號完整性。

二、高速數字電路設計技術的具體應用

2.1 信號完整性設計及應用

能夠傳輸完整的信號，是線路能夠被正常使用的前提，研究表明，有兩個原因會對完整性造成影響：反射因素，電路在運行過程中反射噪音是不可避免的，反射噪音會破壞信號的完整性。信號的傳輸過程中，會受到諸多因素的共同作用，這樣幾個原因會產生反射噪音：電路的阻抗和容抗等參數不匹配；線路中富在于阻抗不匹配所造成的電壓反射回電源；線路沒有規范連接，造成線路之間發生反射。這些都會對信號的完整性進行破壞。另一個是信號串擾，目前數字線路的集成性極高，讓電路有了更小的體積，內部線路變得越發密集。線路之間的空間距離變得特別小，極易發生電磁藕合而產生問題，最終發生信號串擾，降低信號的完整性。因此在設計高速數字線路時，在保證了電路集成性的基礎上，充分考慮上述兩個因素對信號完整性所制造的干擾，合理安排線路布局，保證負載、阻抗、容抗等相關參數的匹配，降低反射噪音產生的可能，從而提升信號的完整性，滿足實際需要。

2.2 電路電源的設計和應用

高速數字電路的設計中，廣泛使用了低電壓元件，這些器件會影響到電源的穩定，所以在設計中，也要對電源的穩定性進行重點分析。電源的穩定性是指電路在運行中，電源的波形質量，隨著電路中使用更多的開關器，線路的電壓就會減小，電源波形的波動就會變得更加明顯，如果電源有嚴重的質量問題，就會破壞這個系統。有兩個因素會對電源的穩定性造成直接影響：線路高速開關、線路中本來就有大量的電感。線路處于高速開關時，會產生很大的瞬間電流，影響到電源；大量的電感會讓線路產生較大阻抗。

理想的電路運行狀態是沒有阻抗的，但這樣的狀態顯然不可能，電路會不可避免地產生噪音，當電源中有瞬間電流通過，電路中各結點一定會發生電壓波動，所以，在進行高速數字線路設計時，必須減少瞬間電流的產生，并盡可能是電源阻抗降低。

數字電路通常使用銅質材料，但銅質材料的阻抗并不能滿足要求，再設計當中還要考慮諧振效應和接口等問題。為了降低線路的阻抗，通常都要在線路中加入去耦電容。不同的電容類型，會表現出不同的高頻特性。可以將電容視為串聯諧振電路，低頻時表現電容特性，高頻時表現為電阻特性。設計時要選擇工作頻率變化不大的電容，保證電容能夠實現作用。

三、高速數字電路設計工作未來的發展趨勢

3.1 噪音小

噪音是影響信號完整性的因素之一，通過設計來降低線路的噪音，保證信號的完整傳輸，一直都是高速數字電路設計的核心目標，在未來也不會改變。進行電路的設計中，充分考慮電路系統的運行，重點研究信號的傳輸過程和質量，對元件合理選擇，保證電源、阻抗、容抗、負載的匹配。規范各元件之間的連接，減小環路面積，增加不同線路之間的距離，提升線路的完整性。從而達到減少噪音的目的。

3.2 模擬技術將會被廣泛使用

在高速數字電路中應用模擬電路技術，能夠提升電路的設計效率，節約設計成本，從而為企業帶來經濟效益。高速數字電路朝著高速化方向發展，模擬電路的技術也將會被不斷完善。

3.3 更具實用價值的設計方案

進行高速數字電路的設計時，可以將電路分成不同的模塊，將這些模塊的設計交給不同團隊進行，最后，再將設計好的模塊整合到一起，成為一個總線路。這樣的設計方式可以保證設計的時效性，并且讓后期的維護也變得模塊化，提升了高速數字電路的實用性和可行性。

四、結束語

科學的發展，技術的進步和社會的需求，都促使了高速數字線路技術的發展，在更廣泛的應用中，高速數字電路也要能夠面對不同環境，在不同情況下都能夠保證信號的完整性和線路的穩定型，這就需要設計水準的提升。通過分析高速數字線路中，對信號完整性產生影響的內因和外因，從而改良或改革設計技術，才能提升高速數字電路設計有效性。

參考文獻

[1]龐莉莉.高速數字電路設計技術的分析與思考[J]. 數字技術與應用， 2015（06）： 196-197.

[2]周瑩.計算機高速數字電路設計技術研究[J]. 中小企業管理與科技（上旬刊），2015（11）： 224-225.

[3]荊濤.計算機高速數字電路設計技術探討[J]. 電子技術與軟件工程， 2014（21）： 192-193.

[4]潘元忠.高速數字電路設計技術的應用研究[J]. 數字技術與應用， 2017（12）： 162-163+165.

作者簡介

丁勝平，邵陽學院國際學院電子科學與技術專業學生