高速数字电路设计中信号完整性分析与思考

摘 要：提高信号的完整性，是提高高速数字电路设计水平及性能的主要途径。本文简要分析了与高速数字电路信号完整性有关的因素，强调了控制各因素的重要性。基于此，主要从反射、串扰、噪声三方面出发，详细探讨了各因素的控制方法。并通过建立仿真模型、观察仿真效果的方式，证实了本课题所提出的设计方案的有效性。

关键词：高速数字；电路设计；信号完整性

1高速数字电路的概念分析

高速数字电路指的是信号在高速变化和电路模拟特性的情况下发生变化的电路，其模拟特征主要包括电容、电感等。高速数字电路主要包括总参数系统和分布参数系统两部分，其中总参数系统中的电流与电压都不会受到其它因素影响，因此在信号日常传输的过程中不会出现畸形问题。现阶段，分布参数系统已经在数字电路设计过程中得到了广泛应用，同时取得了很好的应用效果，该系统的主要优势是：设计与其实际运行情况接近，并充分考虑了信号传输过程的影响因素。

2信号的完整性

简单来说，信号的完整性实质上指的就是信号在电路中传输的质量，信号的传输路径可以是金属线、光学器件，或者其他媒介物质等。当信号完整性良好时，信号在需要的时候具备其需要达到的电压电平均值。但在实际中，信号往往会受到各种因素影响，从而造成信号完整性变差。其中最为常见的信号完整性问题便是信号反射噪音问题。

3数据的高速采集与处理技术要点分析

如图1所述的数据采样与处理过程示意图，要想实现数据的高速采集与处理，就必须使检测装置、信号线、数据处理单元都能够满足相应速度的工作条件。

以常用的电流或电压传感器为例，其响应时间就代表着它能够多快的响应外部激励，也就决定着其多能实现的最高采样速度。所以要想获得有效的高速数据首先要从检测装置选型做起。

图1数据采样与处理过程示意图

信号线对信号质量有着重要的影响，尤其在高频以及恶劣的电磁环境下。所以要选满足对应频率、屏蔽条件、阻抗特性的信号线，以保证信号质量，确保数据的正确性。

4高速数字电路设计中提高信号完整性的途径

4.1设计方案

4.1.1反射控制方案

针对不同器件，设计不同的端接模式，是消除或减少反射的主要途径。实践中常用的端接方案，主要包括串行端接与并行端接两种。根据阻抗匹配以及端接方案的不同，逻辑器件的信号完整性同样有所不同。

以CMOS工艺的驱动源为例，与其他器件相比，该器件的阻抗值，具有稳定性强的优势。因此，采用串行端接的方式对信号加以控制，即可取得良好的效果。与之相比，TTL工艺驱动源，阻抗值的稳定性则较差。此时，建议采用并行端接中的戴维宁端接模式连接，以使反射得以减小，使信号的完整性得以提升。確定端接的过程中，还需注意合理选择网络拓扑结构，以获得最佳的端接效果。

4.1.2串扰控制方案

串扰具有互相抵消的特征，且其数值与线间距离的大小负相关。如干扰源信号增加，则串扰的强度同样会有所提升。考虑上述特征，有关人员可采用以下方法将串扰消除：

（1）增加线距：有关人员可考虑采用jog式走线方式进行布线，以使线距得以延长，最大程度的将串扰消除。

（2）端接匹配的数量，与串扰的强度通常呈负相关。有关人员可适当增加端接数量，达到控制串扰的目的。需注意的是，端接数量的增加，对高速信号线性能的要求较高。

（3）如高速数字电路的布线空间无限制，工作人员还可通过对线与线之间串扰强度的评估，找出干扰最强的区域。在此基础上，取一条地线，将其布置在区域中，使串扰问题得到解决。

4.1.3噪声控制方案

地弹效应，是导致噪声产生的主要原因。为减小噪声，提高高速数字电路信号的完整性，可采用以下方法对地弹问题加以控制：（1）工作人员可适当增加Vcc之间的去耦电容数量，使噪声得以减少。去耦技术，属于电路设计中的主要技术之一。当COMS信号出现“0”、“1”变换时，△1噪声电流必然产生。将去耦技术应用到电路设计中后，逻辑器件运行的稳定性将明显提升，COMS信号出现“0”、“1”变换现象的几率，同样会有所降低，信号的稳定性随之提升。（2）适当降低器件的输出负载，同样能够达到减少噪声的目的。工作人员可直接撤销一部分负载，或采用驱动器将负载隔离，使高速数字电路信号的稳定性得以提升。

5高速数字电路设计工作未来的发展趋势

5.1噪音小

在实际中要注重对电路中噪音干扰的消除，大大提升了信号的完整性。在高速数字设计过程中更为谨慎、仔细，将高速数字电路系统运行作为主要考虑点，注重对信号传输过程及其质量的管理和研究，合理的选择元件，确保电源与阻抗以及负载之间相互匹配，同时各个线路之间距离不断增加，其环路面积减小，各个线路之间连接步骤更具有规范化和流程化，这为线路完整性的不断提升起到了至关重要的作用。

5.2模拟技术的广泛应用

模拟电路技术在高速数字电路设计过程中得到了广泛应用，通过应用模拟电路技术，不仅提高了电路设计效率，还最大限度的节约了设计成本，给企业带来更大的经济效益，高速数字电路积极向着高速化的方向发展，其功能也不断完善。

6结语

在时代不断进步的前提下，高速数字电路也得到了迅速发展，同时也对信号的完整性提出了更高要求。因此，要充分了解高速数字电路设计流程以及操作规范，明确设计要求，通过运用丰富的设计经验和专业技术，有效解决好阻抗、串扰以及瞬间电流等问题，更好的满足高速信号传输要求。

参考文献：

[1]李慧敏，樊记明，杨笑.基于STM32和OV7670的图像采集与显示系统设计[J].传感器与微系统，2016，35（9）：114-117.