高速数字电路设计中信号完整性分析与研究

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摘 要：在高速数字电路的设计过程中，必须确保信号的完整性，因此对信号完整性进行分析和验证十分必要。当下电子产品的更新换代速度极快，完整性设计的重要性也愈加突出，本文将对高速数字电路设计中的信号完整性影响因素进行分析，并在此基础上，针对其主要影响因素，提出几种信号完整性的仿真分析方法。

关键词：高速数字电路；设计；信号完整性；分析

前言：高速数字电路有一个重要的衡量指标，即时钟频率，由于时钟频率不断提升，信号完整性也在不断发生变化，在电路设计过程中，应以信号完整性为导向，在提升时钟频率的同时，做到对信号完整性的实时监测，确保电路运行安全。从影响信号完整性的主要因素着手，探讨信号完整性的分析和验证方法。

一、信号完整性的主要影响因素

（一）反射影响作用

PCB板是高速数字电路设计的关键部分，对电路稳定性和可靠性有重要影响，在PCB板设计过程中，必须处理好信号完整性问题。但是信号完整性有多种影响因素，而且对供电和时序的稳定有直接影响，因此，需要对信号完整性的主要影响因素进行深入分析。传输影响作用是信号完整性的主要影响因素之一，作为高速数字电路的基本组成部分，传输线组是电流的媒介， 信号以电流的形式在传输线组中通过，线组的阻力直接决定着电流的流畅性。因此，传输线组的阻力上升，会直接导致信号完整性下降。当传输线组上的阻力非常大时，会阻碍部分电流通过，导致另一端接受到信号时出现信号失真现象，使信号完整性遭到严重破坏[1]。

（二）串扰影响作用

串扰是信号在网络回路中传输的一种普遍效应，信号经过一个网络到达另一个网络时，有害信号总是具有较快的传输速度，再加上相邻网络传输速度的影响，信号在传输过程中，会产生一个电磁场，其作用是引导信号，在引导过程中，磁场线圈绕磁场旋转。因此，串扰是由静态线和动态线两部分组成的，其各自产生的传输阻力不同，这种差异的存在使网络中传输信号的电流强度不同。在串扰模型中，其中性点位置是绕组电压能够保持正常的主要影响因素，如果中性点位置处于模型中部，则绕组电压速率较高，信号通行能力较强。而中性点位置如果位于模型首部，则会导致电压电流无法通过，出现定子接地异常[2]。

二、信号完整性的仿真分析技术

（一）EDA技术

EDA技术即电路仿真技术，目前在数字电路设计中得到了较为广泛的应用。EDA技术以计算机为基础，通过软件设计方式和仿真测试验证，将硬件设计的操作过程和测试过程转化为软件处理过程，极大的提高了数字电路设计的自动化程度和设计效率。相比于传统设计方式，EDA技术具有许多优点，目前在高速数字电路的信号完整性验证方面也得到了广泛应用。采用EDA技术对高速数字电路完整性进行验证，可以在电路实现以前完成，避免重复设计，保证设计的合理性，提高一次性设计的成功率。

（二）反射仿真分析技术

高速数字电路是数字电子产品设计与开发的重要组成部分，对电路系统的稳定运行有至关重要的影响，而数据完整性分析则是保证高速数字电路合理设计的基础，因此在数字电子产品的设计与开发中占有重要地位。在EDA技术的支持下，可以通过模拟电路实际运行过程中的信号高低问题，为电路设计提供参考，对信号完整性加以测定。反射仿真分析技术的应用关键是建立信号完整性的分析模型，并使验证过程在PCB生产前进行，提前确定信号完整性是否符合要求，对PCB电流进行模拟，建立反射仿真模型，并利用端接技术，改变信号的完整性。这是目前反射仿真分析的主要发展方向，在该模型建立过程中，引入了IBIS模型，驱动端和接受端采用IBIS模型对电路传输信号的完整新进行验证。其中，主要运用的元件是电流阻力线。

（三）串扰仿真分析技术

串扰仿真分析技术在EDA技术的支持下，利用相邻网络的信号串扰作用，建立串扰仿真分析模型，通过模型对信号完整性进行分析和验证。在该类线路仿真设备维护中，经常会出现一个保护屏柜内存在多条传输线路的情况，而且有一部分线路不在系统运行范围内，多以要对工作线路和非工作线路加以区分，并对临近传输线进行隔离。避免传输线路在复杂的工作环境下出现误接线等状况，从而避免设备跳闸和设备误动。串扰仿真分析技术遵循PCB走线规律，对其实际运行线路的走线和与临近传输线路的作用进行信号完整性模拟验证，判断是否存在上述问题。应创新防误闭保护方式，提高设备敏感度，利用电子系统和感应系统提高设备自身的防误闭能力。针对目前使用广泛的接线端子，采用串扰仿真分析技术对其进行模拟测试，并采用防误闭隔离工具在接线端子出进行警示和保护，提高电路运行的安全性。

结束语：总而言之，信号完整性的分析验证是高速数字电路设计中的重要环节，对电路的运行效率和信号传输效果有直接影响。必须采用有效的分析验证手段，针对高速数字电路信号完整性的主要影响因素，对其进行准确验证。本文主要分析了高速数字电路信号完整性的影响因素，包括反射影响作用和串扰影响作用，并针对这些主要影响因素，提出采用EDA技术进行信号完整性分析，通过建立相关模型，在PCB板实现前对信号完整性进行准确验证，保证设计和合理性。

参考文献：

[1]苏海冰，张刚，郭帅. 高速数字电路的信号完整性与电磁兼容性设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010，05：14-17.

[2]李雙力. 基于高速数字电路中的信号完整性分析[J]. 信息通信，2016，08：231-232.

作者简介：

钟佳宏（1984年-），男，广东化州人，汉族，现职称：数字电路设计师，学历：本科，研究方向：电子技术。