高速數(shù)字電路中的信號傳輸性

寧宏新

摘 要

目前，高速數(shù)字電路的應(yīng)用越來越廣泛，所以高速數(shù)字電路在前期設(shè)計和生產(chǎn)時，對于高速數(shù)字電路中的信號傳輸性問題應(yīng)該給予重視，因為高速數(shù)字電路信號傳輸性是否完整會對相關(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)人以為電路運行時的效率高于50MHz時，線路就能夠被稱作高速電路。但是，真正的定義是依據(jù)信號沿變化的真實速度，因為信號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)生的概率就會越高。當(dāng)線路在實際建設(shè)中時，影響高速數(shù)字電路信號傳輸性的因素有很多，例如信號的反射現(xiàn)象、地彈以及線路之間的串?dāng)_都會對其產(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)計時不僅要準確的考慮邏輯上的準確性，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，相對于低速電路，高速電路在前期設(shè)計時不僅要注重提高導(dǎo)線的感抗和導(dǎo)線間的感性耦合，對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，隨之也會有相對應(yīng)的電感電容，所以會給完整的電路帶來相應(yīng)的感抗與容抗（X1）。針對兩者數(shù)值之間的計算公式一般有如下兩個：

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，通過上述的公式可知，F(xiàn)knee代表的數(shù)值較大時，或者說當(dāng)信號的變化速度快時，感抗和容抗的數(shù)值是不易忽略。

當(dāng)有兩個導(dǎo)體時，前提條件是兩個導(dǎo)體不能進行連接，在其中一個導(dǎo)體上施加一定電壓時，在這個導(dǎo)體的周圍會形成一個電場，而且形成的電場會對導(dǎo)體上電荷的流動產(chǎn)生一些反應(yīng)，因此會出現(xiàn)容性耦合的現(xiàn)象。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)存在流動的電荷時，在導(dǎo)體周圍便會產(chǎn)生一定的磁場，與此同時，產(chǎn)生的磁場也會對流動的電荷發(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，就要考慮對信號傳輸產(chǎn)生的影響。通過以上論述的特點，高速電路在設(shè)計的時候應(yīng)該考慮信號反射和信號之間的串?dāng)_給電路信號傳輸性帶來的不良影響。

2 影響高速數(shù)字電路傳輸性的問題與措施

2.1 信號反射問題與解決措施

通常情況下，當(dāng)傳輸線內(nèi)的阻抗沒有連續(xù)時，便會出現(xiàn)信號反射的現(xiàn)象。例如圖1，圖1顯示的是電路傳輸圖，圖中的R0表示為信號的驅(qū)動源內(nèi)阻，Z0表示為傳輸線L內(nèi)的特性阻抗，負載阻抗便是途中顯示的RL。

在現(xiàn)實性況下，一般會用R0=Z0=RL來表示，在這種情況下，傳輸阻抗表現(xiàn)出來的狀態(tài)是連續(xù)性的，反射的現(xiàn)象不會發(fā)生。假如RL>R0，負的一端變回產(chǎn)生過剩的能量，過剩的能量便會反射到源端，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，負載便會消耗更多的能量，當(dāng)反射給前端后，前端就會繼續(xù)輸送更多的能量，一般稱這種情況為過阻尼。這兩種情況的出現(xiàn)都會發(fā)生反向傳播形式的波形，進而對信號的傳輸性產(chǎn)生干擾。

但對于電路和電路板來說，他們的非理想特性會產(chǎn)生傳輸性損耗、非無窮大阻抗以及非零輸入阻抗，這些情況的發(fā)生會使得信號震蕩的狀態(tài)表現(xiàn)為一阻尼震蕩。因此，電路信號反射在現(xiàn)實中出現(xiàn)時，觀察的重點應(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，然后在對癥下藥。

2.2 地彈問題和解決措施

當(dāng)數(shù)字電路在運行狀態(tài)下時，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，這個電子器件的接地管腳便會發(fā)生放電反應(yīng)，進一步發(fā)展便會產(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)時間便會越短，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，這些開關(guān)電路便會造成邏輯地電壓出現(xiàn)波動，一般稱這種現(xiàn)象為地彈。地彈對電路傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在雙時鐘反應(yīng)，這種反應(yīng)會對寄存的輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤，進而造成邏輯上的錯誤判斷。通常情況下要從地彈造成的影響來分析，一般會降低負載器件的數(shù)量，或者使用驅(qū)動隔離器或者串接10Ω到30Ω電阻的方式來降低地彈所帶來的干擾。

2.3 串?dāng)_問題及解決措施

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)兩個導(dǎo)體電路內(nèi)的電路方向不一樣時，串?dāng)_會比電流方向一樣時大很多，而且會增加干擾信號的頻率，帶來的串?dāng)_輻值也會因此而提升。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）將底層和信號線之間的垂直距離盡可能的縮短。

（3）將兩線的平行長度能可能的縮小。

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

綜上所述，影響高速數(shù)字電路信號傳輸性因素較多，要想保證信號傳輸?shù)耐暾跃鸵獜碾娐吩O(shè)施在設(shè)計和建設(shè)過程中的每個細節(jié)進行分析，例如電源地的穩(wěn)定、材料的導(dǎo)電性、信號層的次序以及連線的長度等。所以，在電路建設(shè)過程中，相關(guān)的工作人員要認真仔細的建設(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航。

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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