寧宏新

摘 要

目前，高速數(shù)字電路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以高速數(shù)字電路在前期設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于高速數(shù)字電路中的信號(hào)傳輸性問(wèn)題應(yīng)該給予重視，因?yàn)楦咚贁?shù)字電路信號(hào)傳輸性是否完整會(huì)對(duì)相關(guān)的電子設(shè)備和元器件正產(chǎn)工作產(chǎn)生重要的影響。本文在查閱大量相關(guān)資料的前提下，首先論述了高速數(shù)字電路的基本概況，其次探討了影響高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸性的原因，并且提出相應(yīng)的解決措施。

【關(guān)鍵詞】高速數(shù)字電路 傳輸性 解決措施

通常情況下，絕大多數(shù)人以為電路運(yùn)行時(shí)的效率高于50MHz時(shí)，線路就能夠被稱作高速電路。但是，真正的定義是依據(jù)信號(hào)沿變化的真實(shí)速度，因?yàn)樾盘?hào)沿變化的速度與高頻傳輸效應(yīng)的產(chǎn)生有一定的關(guān)系，速度越快，發(fā)生的概率就會(huì)越高。當(dāng)線路在實(shí)際建設(shè)中時(shí)，影響高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸性的因素有很多，例如信號(hào)的反射現(xiàn)象、地彈以及線路之間的串?dāng)_都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

1 高速數(shù)字電路的概況

高速數(shù)字電路在前期設(shè)計(jì)時(shí)不僅要準(zhǔn)確的考慮邏輯上的準(zhǔn)確性，其他的因素也要考慮在內(nèi)，比如電路中的電器容量、電磁感應(yīng)以及電阻等，相對(duì)于低速電路，高速電路在前期設(shè)計(jì)時(shí)不僅要注重提高導(dǎo)線的感抗和導(dǎo)線間的感性耦合，對(duì)于容抗和容性耦合也要重視。每一根導(dǎo)線都有自身體積方面的特征，隨之也會(huì)有相對(duì)應(yīng)的電感電容，所以會(huì)給完整的電路帶來(lái)相應(yīng)的感抗與容抗（X1）。針對(duì)兩者數(shù)值之間的計(jì)算公式一般有如下兩個(gè)：

Xc=1/（2πFkneeC）=Tr/（πC） （1）

X1=Lπ/Tr （2）

公式中的 表示電路導(dǎo)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(guò)上述的公式可知，F(xiàn)knee代表的數(shù)值較大時(shí)，或者說(shuō)當(dāng)信號(hào)的變化速度快時(shí)，感抗和容抗的數(shù)值是不易忽略。

當(dāng)有兩個(gè)導(dǎo)體時(shí)，前提條件是兩個(gè)導(dǎo)體不能進(jìn)行連接，在其中一個(gè)導(dǎo)體上施加一定電壓時(shí)，在這個(gè)導(dǎo)體的周圍會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，而且形成的電場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體上電荷的流動(dòng)產(chǎn)生一些反應(yīng)，因此會(huì)出現(xiàn)容性耦合的現(xiàn)象。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)存在流動(dòng)的電荷時(shí)，在導(dǎo)體周圍便會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，與此同時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)流動(dòng)的電荷發(fā)生一定的反應(yīng)，從而出現(xiàn)感性耦合現(xiàn)象，雖然感性耦合和容性耦合一般會(huì)不作考慮，可是在導(dǎo)體中電流變化比較快的情況下，就要考慮對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響。通過(guò)以上論述的特點(diǎn)，高速電路在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該考慮信號(hào)反射和信號(hào)之間的串?dāng)_給電路信號(hào)傳輸性帶來(lái)的不良影響。

2 影響高速數(shù)字電路傳輸性的問(wèn)題與措施

2.1 信號(hào)反射問(wèn)題與解決措施

通常情況下，當(dāng)傳輸線內(nèi)的阻抗沒(méi)有連續(xù)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射的現(xiàn)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(hào)的驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻，Z0表示為傳輸線L內(nèi)的特性阻抗，負(fù)載阻抗便是途中顯示的RL。

在現(xiàn)實(shí)性況下，一般會(huì)用R0=Z0=RL來(lái)表示，在這種情況下，傳輸阻抗表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)是連續(xù)性的，反射的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。假如RL>R0，負(fù)的一端變回產(chǎn)生過(guò)剩的能量，過(guò)剩的能量便會(huì)反射到源端，一般稱這種現(xiàn)象為欠阻尼，如果兩端之間的關(guān)系發(fā)生相反時(shí)，負(fù)載便會(huì)消耗更多的能量，當(dāng)反射給前端后，前端就會(huì)繼續(xù)輸送更多的能量，一般稱這種情況為過(guò)阻尼。這兩種情況的出現(xiàn)都會(huì)發(fā)生反向傳播形式的波形，進(jìn)而對(duì)信號(hào)的傳輸性產(chǎn)生干擾。

但對(duì)于電路和電路板來(lái)說(shuō)，他們的非理想特性會(huì)產(chǎn)生傳輸性損耗、非無(wú)窮大阻抗以及非零輸入阻抗，這些情況的發(fā)生會(huì)使得信號(hào)震蕩的狀態(tài)表現(xiàn)為一阻尼震蕩。因此，電路信號(hào)反射在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)時(shí)，觀察的重點(diǎn)應(yīng)該放在第一次發(fā)射和第二次反射是否正常，觀察后在具體分析發(fā)生的原因，然后在對(duì)癥下藥。

2.2 地彈問(wèn)題和解決措施

當(dāng)數(shù)字電路在運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，一般只存在高電平電壓和低電平電壓。如果數(shù)字邏輯輸出的電壓由高變低時(shí)，這個(gè)電子器件的接地管腳便會(huì)發(fā)生放電反應(yīng)，進(jìn)一步發(fā)展便會(huì)產(chǎn)生開關(guān)電流。當(dāng)數(shù)字電路的傳輸速度越快，所要求的開關(guān)時(shí)間便會(huì)越短，當(dāng)絕大多數(shù)的開關(guān)電路一起由高電壓轉(zhuǎn)變到低電壓時(shí)，這些開關(guān)電路便會(huì)造成邏輯地電壓出現(xiàn)波動(dòng)，一般稱這種現(xiàn)象為地彈。地彈對(duì)電路傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在雙時(shí)鐘反應(yīng)，這種反應(yīng)會(huì)對(duì)寄存的輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤，進(jìn)而造成邏輯上的錯(cuò)誤判斷。通常情況下要從地彈造成的影響來(lái)分析，一般會(huì)降低負(fù)載器件的數(shù)量，或者使用驅(qū)動(dòng)隔離器或者串接10Ω到30Ω電阻的方式來(lái)降低地彈所帶來(lái)的干擾。

2.3 串?dāng)_問(wèn)題及解決措施

串?dāng)_自身就是比較復(fù)雜的電路現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因有很多，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體電路內(nèi)的電路方向不一樣時(shí)，串?dāng)_會(huì)比電流方向一樣時(shí)大很多，而且會(huì)增加干擾信號(hào)的頻率，帶來(lái)的串?dāng)_輻值也會(huì)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(hào)線之間的垂直距離盡可能的縮短。

（3）將兩線的平行長(zhǎng)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(jié)語(yǔ)

綜上所述，影響高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸性因素較多，要想保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾跃鸵獜碾娐吩O(shè)施在設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中的每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，例如電源地的穩(wěn)定、材料的導(dǎo)電性、信號(hào)層的次序以及連線的長(zhǎng)度等。所以，在電路建設(shè)過(guò)程中，相關(guān)的工作人員要認(rèn)真仔細(xì)的建設(shè)電路設(shè)施，讓人們能夠享受到高效和穩(wěn)定的電網(wǎng)和電壓，為人們的生活保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1]張靖.高速數(shù)字電路信號(hào)完整性方針設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].西安電子科技大學(xué)，2013.

[2]鄧集杰，劉鐵根，褚備等.高速視頻處理系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（06）：34.

[3]董剛，李躍民，楊銀堂.兩相鄰耦合ELC互聯(lián)的串?dāng)_估計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，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?dāng)_仿真[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（6）：34.

作者單位

廣西師范學(xué)院師園學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000