黃子耘

同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314033

0 引言

數(shù)字電路由于受到信號(hào)變化的影響，使得包括導(dǎo)線電容、電感等在內(nèi)的模擬特性發(fā)生變化的電路被稱為高速數(shù)字電路。在一般的認(rèn)知里，工作狀態(tài)下的電路頻率只要超過(guò)50 Hz的被統(tǒng)稱為高速電路。此外，電路內(nèi)部信號(hào)的邊沿變化速度也可以視為電路定義的主要標(biāo)準(zhǔn)，一旦存在于信號(hào)邊沿諧波的頻率和信號(hào)頻率之間的差值較為巨大，則可以將之視為高速電路，通常認(rèn)定若傳播延時(shí)大于驅(qū)動(dòng)端數(shù)字信號(hào)上升沿時(shí)間的1/2，則稱此類電路為高速電路，并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。文章主要通過(guò)信號(hào)傳輸及噪聲干擾、抑制措施對(duì)高速數(shù)字電路的噪聲情況進(jìn)行探討[1-2]。

高速數(shù)字電路的主要信號(hào)傳輸噪聲干擾及抑制措施如圖1所示。

圖1 高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸噪聲干擾及抑制措施

1 高速數(shù)字電路中存在的信號(hào)傳輸及噪聲干擾分析

1.1 傳輸線

數(shù)字電路是在科學(xué)技術(shù)發(fā)展下，出現(xiàn)的一種新型的電路傳輸方式，且在信號(hào)傳輸中有著較為復(fù)雜的過(guò)程，在整個(gè)傳輸電路設(shè)計(jì)下，需要同時(shí)考慮電路領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)知識(shí)、信號(hào)的完整與否及其衰減情況，以確保信號(hào)傳輸?shù)耐暾院桶踩浴Ｓ∷㈦娐钒澹≒CB）的存在形式一般都是作為電器元器件的載體，通常而言，PCB的組成結(jié)構(gòu)包括了一層（多層）介質(zhì)基層、信號(hào)層、電源層和底層，又可以再次細(xì)分為單面、雙面、多層板的形式。傳輸線與電阻、電容、電感有相似之處，且其本身有兩個(gè)重要的特性，即特性阻抗和時(shí)延。在部分較為特殊的環(huán)境條件下，傳輸線理想狀態(tài)下的電器特性表達(dá)可用電容等進(jìn)行表達(dá)，且得出的最終結(jié)果與經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的實(shí)際參數(shù)值完全一致。此外，從傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)組成層面來(lái)看，在設(shè)計(jì)中經(jīng)常應(yīng)用的類型包括雙引線、微帶線、帶狀線等。在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作中，性質(zhì)均勻的傳輸線需要優(yōu)先考慮，其電氣特性較為特殊，主要以電容及電感的組合來(lái)表達(dá)，均勻的傳輸線可以保障信號(hào)的完整性。

1.2 反射

在高速數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中，反射是最為常見(jiàn)的一類信號(hào)完整的問(wèn)題。在傳播信號(hào)的整個(gè)過(guò)程中，信號(hào)中的每一個(gè)不同點(diǎn)都存在與之完全對(duì)應(yīng)的瞬間阻抗，如果傳輸線的阻抗屬于可控狀態(tài)，則這個(gè)瞬間阻抗會(huì)維持恒定狀態(tài)，并且這一數(shù)值完全等于傳輸線帶有的特性阻抗。一旦這個(gè)瞬間阻抗數(shù)值陡然出現(xiàn)變化，與之相對(duì)的信號(hào)將難以維持穩(wěn)定，部分的信號(hào)會(huì)向著傳播反方向進(jìn)行反射，剩余的信號(hào)即便可以繼續(xù)傳播，卻無(wú)法避免信號(hào)的失真問(wèn)題。從某個(gè)角度來(lái)看，信號(hào)完整性受到信號(hào)反射的影響最大，在信號(hào)產(chǎn)生質(zhì)量上的影響最為顯著。反射導(dǎo)致信號(hào)的電平波動(dòng)幅度顯著提高，導(dǎo)致電路噪聲受限現(xiàn)象的發(fā)生，最終帶來(lái)電路錯(cuò)誤動(dòng)作問(wèn)題。對(duì)于設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)，信號(hào)傳輸質(zhì)量恒定的關(guān)鍵因素是特性阻抗數(shù)值的恒定不變，這促使特性阻抗變?yōu)樵O(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。在一些高速設(shè)計(jì)中，常要求對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行采樣，因此有必要考慮如何消減反射。一般而言，在發(fā)現(xiàn)傳輸線效應(yīng)出現(xiàn)在系統(tǒng)中時(shí)，需要有效針對(duì)阻抗的匹配度進(jìn)行考慮。在電路的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通常會(huì)借助仿真的方式來(lái)檢驗(yàn)匹配措施能否應(yīng)用。在高速電子電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可控阻抗傳輸線需要優(yōu)先考慮使用，而端接是減小反射的一個(gè)最常用的方法，可控阻抗傳輸線引入高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)工作時(shí)，傳輸線末端位置必須全面落實(shí)端接匹配操作，以此降低信號(hào)的反射程度[3]。

1.3 電磁干擾

傳導(dǎo)、輻射干擾作為電磁干擾的兩大主要分類，需要設(shè)計(jì)人員在工作實(shí)踐中針對(duì)干擾源源頭、傳播路徑切斷予以全面考慮，以此保障電子設(shè)備可以完全貼合當(dāng)前電磁兼容性的需求。布線工作落實(shí)前，位于PCB板上的各種電路位置需要依據(jù)實(shí)際功能、運(yùn)行需求進(jìn)行調(diào)整，其內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)的噪聲干擾消除完全可以借助物理性質(zhì)的隔離、屏蔽措施實(shí)現(xiàn)。

可以在系統(tǒng)中放置時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器在高速邏輯電路、電源、I/O端口電路這類噪聲頻發(fā)的電器元件位置附近，如此一來(lái)，敏感電路會(huì)因?yàn)轳詈显肼晫?dǎo)致其性能水平有所降低。同時(shí)，可以通過(guò)電路隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路隔離的有效與否，將會(huì)直接影響電路設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。為了保障電路隔離可以取得應(yīng)有的效果，需要降低電流回路，并且負(fù)責(zé)連接高頻元器件的聯(lián)系需要在保障功能完整的基礎(chǔ)上最大限度地縮短，管腳的引線也是如此，輸入、輸出之間的元件需要保持適當(dāng)?shù)木嚯x。此外，各個(gè)功能元器件的位置需要在完全遵循電路設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上給出合理的布局并安裝。經(jīng)過(guò)這些操作后，電路的布局便可以為信號(hào)穩(wěn)定流通提供便利，同時(shí)信號(hào)的方向基本可以維持在同一個(gè)方向。

2 抑制高速數(shù)字電路系統(tǒng)中噪聲現(xiàn)象的有效措施

2.1 合理優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)布局

高速數(shù)字電路在執(zhí)行傳輸信號(hào)工作的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)噪聲現(xiàn)象，這對(duì)信號(hào)的傳輸速率、質(zhì)量都會(huì)帶來(lái)較大的影響，因此在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，內(nèi)部的元器件與結(jié)構(gòu)的合理性都較為重要，且需重視噪聲對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)于不同的電路系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的傳輸所需，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的元器件進(jìn)行調(diào)整，以此保證系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性。就電路的容積來(lái)說(shuō)，將會(huì)對(duì)電路的功能整體布局產(chǎn)生直接影響，在針對(duì)噪聲現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防、處理時(shí)，電路系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化需要優(yōu)先被重視、考慮，以此完善處理元器件、線路二者之間的關(guān)系，確保提升信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量水平。具體可以從以下幾個(gè)層面入手：

（1）設(shè)計(jì)電路板的內(nèi)板時(shí)，器件的布置要合理，不可過(guò)于靠近導(dǎo)致重合或傳輸線的交叉，使得信號(hào)傳輸受到干擾。需分散放置，用以完全貼合系統(tǒng)在電路集成度方面的需求，元器件工作期間出現(xiàn)的噪聲、電磁等干擾現(xiàn)象也需要做出合理有效的控制，做到在合理控制元器件密度的同時(shí)，保障其工作期間的通風(fēng)程度，從而提高信號(hào)傳輸質(zhì)量和元器件使用壽命。

（2）電路系統(tǒng)整體層面的設(shè)計(jì)工作優(yōu)化，尤其需要設(shè)計(jì)人員給予系統(tǒng)散熱條件優(yōu)化以應(yīng)有的重視，借助各個(gè)元器件的分散式布局，維護(hù)電源能源的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)，避免出現(xiàn)局部系統(tǒng)過(guò)熱的現(xiàn)象，從而對(duì)信號(hào)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量產(chǎn)生不良影響，而影響元器件的性能。

（3）芯片引腳和電源引腳應(yīng)該呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，彼此間距離應(yīng)盡可能縮短。

2.2 有效分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

從高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)優(yōu)化層面來(lái)看，電源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化分配的過(guò)程中也需要注意，為此，提出以下改善電路噪聲的方法：

（1）由電磁場(chǎng)引起的噪聲，需要選擇具有電磁感應(yīng)的電力線，進(jìn)行合理的電線放置，兩者相互垂直，從而降低接觸磁場(chǎng)的效應(yīng)或給電路增加電磁屏障。

（2）就中高壓電路而言，不但需要重視感應(yīng)噪聲的位置合理布局，而且需要優(yōu)先考慮選用物理金屬屏蔽的方式，依賴于電子裝置、引線和輸入輸出的遠(yuǎn)距離化，在調(diào)低信號(hào)傳輸長(zhǎng)度的前提下，對(duì)其傳輸阻抗和信號(hào)衰減進(jìn)行有效控制。如果傳輸線無(wú)法進(jìn)行縮減操作，包括ECL、PECL等在內(nèi)的差分信號(hào)傳輸就可以發(fā)揮其在共模干擾能力方面具備的顯著優(yōu)勢(shì)，將信號(hào)的整體傳輸距離做出適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)。上述噪聲抑制措施，主要基于理論基礎(chǔ)加以分析，在具體實(shí)踐處理、應(yīng)用時(shí)，需要始終堅(jiān)持具體問(wèn)題具體分析的原則，以工程的具體運(yùn)行需求以及運(yùn)用元器件的成本問(wèn)題作為基石，選擇合理有效的措施控制對(duì)信號(hào)傳輸影響的因素。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，高速數(shù)字電路在科技的推動(dòng)和發(fā)展下，也在不斷快速發(fā)展，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用也愈加廣泛，因此高速數(shù)字電路的信號(hào)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量以及噪聲的存在和抑制問(wèn)題也在得到人們的關(guān)注和重視。文章主要分析了高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)傳輸，引起噪聲存在的因素，并闡述了抑制噪聲的措施，優(yōu)化電路，為我國(guó)高速數(shù)字電路發(fā)展提供推動(dòng)力。