高速数字电路的信号传输及噪声抑制

黄子耘

同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314033

0 引言

数字电路由于受到信号变化的影响，使得包括导线电容、电感等在内的模拟特性发生变化的电路被称为高速数字电路。在一般的认知里，工作状态下的电路频率只要超过50 Hz的被统称为高速电路。此外，电路内部信号的边沿变化速度也可以视为电路定义的主要标准，一旦存在于信号边沿谐波的频率和信号频率之间的差值较为巨大，则可以将之视为高速电路，通常认定若传播延时大于驱动端数字信号上升沿时间的1/2，则称此类电路为高速电路，并产生传输线效应。文章主要通过信号传输及噪声干扰、抑制措施对高速数字电路的噪声情况进行探讨[1-2]。

高速数字电路的主要信号传输噪声干扰及抑制措施如图1所示。

图1 高速数字电路信号传输噪声干扰及抑制措施

1 高速数字电路中存在的信号传输及噪声干扰分析

1.1 传输线

数字电路是在科学技术发展下，出现的一种新型的电路传输方式，且在信号传输中有着较为复杂的过程，在整个传输电路设计下，需要同时考虑电路领域内的专业知识、信号的完整与否及其衰减情况，以确保信号传输的完整性和安全性。印刷电路板（PCB）的存在形式一般都是作为电器元器件的载体，通常而言，PCB的组成结构包括了一层（多层）介质基层、信号层、电源层和底层，又可以再次细分为单面、双面、多层板的形式。传输线与电阻、电容、电感有相似之处，且其本身有两个重要的特性，即特性阻抗和时延。在部分较为特殊的环境条件下，传输线理想状态下的电器特性表达可用电容等进行表达，且得出的最终结果与经过测量得到的实际参数值完全一致。此外，从传输线的几何结构组成层面来看，在设计中经常应用的类型包括双引线、微带线、带状线等。在高速数字电路的设计实践工作中，性质均匀的传输线需要优先考虑，其电气特性较为特殊，主要以电容及电感的组合来表达，均匀的传输线可以保障信号的完整性。

1.2 反射

在高速数字信号传输过程中，反射是最为常见的一类信号完整的问题。在传播信号的整个过程中，信号中的每一个不同点都存在与之完全对应的瞬间阻抗，如果传输线的阻抗属于可控状态，则这个瞬间阻抗会维持恒定状态，并且这一数值完全等于传输线带有的特性阻抗。一旦这个瞬间阻抗数值陡然出现变化，与之相对的信号将难以维持稳定，部分的信号会向着传播反方向进行反射，剩余的信号即便可以继续传播，却无法避免信号的失真问题。从某个角度来看，信号完整性受到信号反射的影响最大，在信号产生质量上的影响最为显著。反射导致信号的电平波动幅度显著提高，导致电路噪声受限现象的发生，最终带来电路错误动作问题。对于设计工作来说，信号传输质量恒定的关键因素是特性阻抗数值的恒定不变，这促使特性阻抗变为设计工作的重点关注内容。在一些高速设计中，常要求对入射信号进行采样，因此有必要考虑如何消减反射。一般而言，在发现传输线效应出现在系统中时，需要有效针对阻抗的匹配度进行考虑。在电路的设计实践中，通常会借助仿真的方式来检验匹配措施能否应用。在高速电子电路的设计过程中，可控阻抗传输线需要优先考虑使用，而端接是减小反射的一个最常用的方法，可控阻抗传输线引入高速数字电路设计工作时，传输线末端位置必须全面落实端接匹配操作，以此降低信号的反射程度[3]。

1.3 电磁干扰

传导、辐射干扰作为电磁干扰的两大主要分类，需要设计人员在工作实践中针对干扰源源头、传播路径切断予以全面考虑，以此保障电子设备可以完全贴合当前电磁兼容性的需求。布线工作落实前，位于PCB板上的各种电路位置需要依据实际功能、运行需求进行调整，其内部各个子系统的噪声干扰消除完全可以借助物理性质的隔离、屏蔽措施实现。

可以在系统中放置时钟、数据转化器在高速逻辑电路、电源、I/O端口电路这类噪声频发的电器元件位置附近，如此一来，敏感电路会因为耦合噪声导致其性能水平有所降低。同时，可以通过电路隔离来实现，电路隔离的有效与否，将会直接影响电路设计的信号完整性。为了保障电路隔离可以取得应有的效果，需要降低电流回路，并且负责连接高频元器件的联系需要在保障功能完整的基础上最大限度地缩短，管脚的引线也是如此，输入、输出之间的元件需要保持适当的距离。此外，各个功能元器件的位置需要在完全遵循电路设计原则的基础上给出合理的布局并安装。经过这些操作后，电路的布局便可以为信号稳定流通提供便利，同时信号的方向基本可以维持在同一个方向。

2 抑制高速数字电路系统中噪声现象的有效措施

2.1 合理优化系统内部设计布局

高速数字电路在执行传输信号工作的过程中，不可避免地会出现噪声现象，这对信号的传输速率、质量都会带来较大的影响，因此在高速数字电路的设计过程中，内部的元器件与结构的合理性都较为重要，且需重视噪声对信号的影响。对于不同的电路系统，依据实际设计的传输所需，对系统内部的元器件进行调整，以此保证系统内部结构的合理性。就电路的容积来说，将会对电路的功能整体布局产生直接影响，在针对噪声现象进行预防、处理时，电路系统内部结构的优化需要优先被重视、考虑，以此完善处理元器件、线路二者之间的关系，确保提升信号传输的质量水平。具体可以从以下几个层面入手：

（1）设计电路板的内板时，器件的布置要合理，不可过于靠近导致重合或传输线的交叉，使得信号传输受到干扰。需分散放置，用以完全贴合系统在电路集成度方面的需求，元器件工作期间出现的噪声、电磁等干扰现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时，保障其工作期间的通风程度，从而提高信号传输质量和元器件使用寿命。

（2）电路系统整体层面的设计工作优化，尤其需要设计人员给予系统散热条件优化以应有的重视，借助各个元器件的分散式布局，维护电源能源的长期稳定供应，避免出现局部系统过热的现象，从而对信号传输的速率和质量产生不良影响，而影响元器件的性能。

（3）芯片引脚和电源引脚应该呈现一一对应的关系，彼此间距离应尽可能缩短。

2.2 有效分配网络系统

从高速数字电路设计优化层面来看，电源网络系统优化分配的过程中也需要注意，为此，提出以下改善电路噪声的方法：

（1）由电磁场引起的噪声，需要选择具有电磁感应的电力线，进行合理的电线放置，两者相互垂直，从而降低接触磁场的效应或给电路增加电磁屏障。

（2）就中高压电路而言，不但需要重视感应噪声的位置合理布局，而且需要优先考虑选用物理金属屏蔽的方式，依赖于电子装置、引线和输入输出的远距离化，在调低信号传输长度的前提下，对其传输阻抗和信号衰减进行有效控制。如果传输线无法进行缩减操作，包括ECL、PECL等在内的差分信号传输就可以发挥其在共模干扰能力方面具备的显著优势，将信号的整体传输距离做出适当的延长。上述噪声抑制措施，主要基于理论基础加以分析，在具体实践处理、应用时，需要始终坚持具体问题具体分析的原则，以工程的具体运行需求以及运用元器件的成本问题作为基石，选择合理有效的措施控制对信号传输影响的因素。

3 结束语

总的来说，高速数字电路在科技的推动和发展下，也在不断快速发展，在现实中的应用也愈加广泛，因此高速数字电路的信号传输的速率和质量以及噪声的存在和抑制问题也在得到人们的关注和重视。文章主要分析了高速数字电路设计中的信号传输，引起噪声存在的因素，并阐述了抑制噪声的措施，优化电路，为我国高速数字电路发展提供推动力。