高速数字电路设计技术的应用研究

包寅寅

（辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051）

0 引言

随着科学的进步与时代的发展，计算机逐渐走进千家万户，人们对计算机的要求越来越高，计算机的更新也越来越快，由于计算机也是建立在高速数字电路的基础上，作为基层的高速数字电路也要不断地向前进步。而随着高速数字电路在世界上各个地方的应用越来越广泛，高速数字电路自身的发展对世界上计算机科技的发展也起到了越来越重要的作用。设计者在设计高速数字电路的时候要对多方面的因子进行详细的考虑，其中第一个就是设计者设计的高速数字电路的逻辑是否合理， 有一个完整且合理的逻辑，信号才能完整地传输，有一个清晰的逻辑以便于对其进行改造；二是要有应变性，即高速数字电路的设计不是一成不变的，要根据实际的情况不断地对电路进行改造与技术的优化，从而让通信的质量进一步得到提升。 在设计高速数字电路的时候，所有的设计者都需要长期研究的问题是如何才能够将设计出来的电路更好地与实际生产生活结合起来，将设计出来的产品更好地运用到实际的生产生活中。

1 高速数字电路的相关的资料

1.1 相关的概念

高速数字电路的一般定义是指含有数字信号的电路在短时间内其数字信号发生了大量的变化，而这一变化导致了该电路所模拟的电路发生了一些改变，其改变的方面有很多，包括但不仅限于电路中相关的电阻、电感以及电容等方面[1]。数字电路的设计十分的复杂，包含了许多重要的理念，但是在这些理念之中有着两个最重要且设计者必须考虑的理念：第一个理念叫作集总参数系统，集总参数系统可以说是在一种理想的状况之下考虑电压与电流的关系，在这个状态下，它们之间的关系相互独立不受外界其他因素的影响，同时传输的质量盒器件的无关，也就是说在这个状态之下电路中的数字信号在整个传输的过程之中，其信号不会受各种因素的影响，也就是说不会出现电路信号存在着畸形的问题；第二个重要的概念就是分布系统参数，这个参数在数字电路的设计中应用十分广泛，由于在传输信号传输的过程中需要考虑各种影响因素，而这个参数就是由此来的，因此，分布系统参数最大的特征就是设计出来的电路与实际运行的效果是十分接近的。

1.2 主要的问题

在设计高速数字电路的时候应该将提高电路传输信号的质量作为首要考虑的因素。因为在传输过程中能够对信号质量产生影响的因素有很多，但是对其影响最大的因素就是信号的完整性。一旦信号的完整性被坏了，那么所接收到的信号就不完整，也就是“失真”现象。 失真现象在信号的传输中会造成极大的危害，其中最重要的方面就是失真会导致重要的数据在传输过程中会受到破坏，对整个电路中数字电路信号的完整性造成极大的影响。 另外，工作环境中出现失真现象会导致系统在工作中出现混乱的现象，从而导致系统在工作中失去应有的功能，无法发挥其该有的作用，其中最为严重的是在失真环境下工作将会有极大的可能将整个数字电路系统陷入瘫痪的情景之中，对整个数字电路的运作带来极大的困难[2]。

2 高速数字电路设计及应用

2.1 信号的完整性设计及应用

高速数字电路能够在实际的生产生活中得以有效应用的前提是保证其信号的完整性。有相关的研究表明， 对高速数字电路影响的因素主要有以下两个：第一是反射因素，高速数字电路在其运行的过程中会产生一定的噪声，但是其在抵抗噪声的时候也会发生反射的现象，破坏了信道的完整性。 在高速数字电路的线路之中还有可能会存在因负载与阻抗之间不匹配而导致的信道反射问题， 也会破坏信号的完整性。除此之外，高速数字电路在设计的时候，设计者考虑不周而导致所设计的线路连接与规范不符合，会有可能造成线路之间出现相互反射的现象，从而影响信号的完整性。第二个是信号串扰。随着时代的改变，计算机的小型化、便携化是一个热点，这就造成了现今数字电路设计中最大的特征：集成性高。 数字电路的体积日渐缩小，性能还要不打折扣，因此，数字电路内部的线路也就日趋密集， 导线之间的距离大幅度地缩短， 这样极易导致电路之间出现电磁耦合的现象，然后出现信号串扰的问题， 从而破坏了信号的完整性。由于上述种种原因，设计者在设计高速数字电路过程中要对两个影响因素进行充分的考虑。既要保证设计出来的数字电路的线路是高集成性的，设计时要将数字电路的线路布局进行合理的安排，又要充分了解其使用的器件的详细信息，从而保证其各项参数以及负载、阻抗之间能够相互匹配，以便于设计者在对电路进行设计的过程中，能够有效地避免或者反射问题以及信号串扰问题，从而保证信号的完整性，以便于在实际生产和生活中能够满足其需求。

2.2 电路电源的设计及应用

高速数字电路设计之中要用到很多材料， 因此，要仔细挑选，因为这些器件可以直接对电源的稳定性造成影响，在数字电路的设计中需着重考虑。 电源稳定性是指在运行过程中电路所形成的电源波的形质量。 就目前而言，这设计过程中低电压源器的应用十分广泛。根据当下的研究与报告可以得知以下两个因素应该着重考虑：第一，由于数字电路处于高速运行之中将会产生较大的瞬时电流，产生的瞬时电流会对信号的完整性造成巨大的破坏；第二，在高速数字电路的设计中电感在线路中存在的数量是非常多的，电感数量多了就会导致电路的回路阻抗变得很大，这也会影响电源的完整性。 为避免阻抗耗损，我们要想办法消除电路的阻抗， 电路没有阻抗则是一种理想状态，然而在现实生活中是不可能做到的。鉴于此，设计者在设计高速数字电路的过程中应当着重对这两方面进行考虑。 在当前高速数字电路的设计之中，最为常用的是铜质材料，但是由于使用铜质材料会产生谐振效应， 再加上铜质材料也不能满足阻抗的需求，为了满足实际生产生活中的需要，因此，电路之间普遍采用的是去耦电容。当电路处于不同的频率之中其所表现出来的电阻与电容的特性并不一致，如在较高的工作频率下表现出他的电阻特性，可以将电容理解成一个谐振电路串联与电路之中。

3 高速数字电路设计的发展趋势探析

首先，应该对电路在运作过程中所产生的噪声干扰问题进行着重的考虑，还要注意对元件进行仔细的选择，要充分保证在数字电路中电源和负载、阻抗之间是相互匹配[3]。

其次，在数字电路设计中设计者应当学习如何使用电路模拟技术对电路进行设计，这么做既能提高设计者的效率， 又能将设计的成本进行大幅度的降低。设计时可以对其不同的用途将其拆分为不同的模块进行设计，最终再进行一个有机的整合，聚合为一个整体。 每个模块需要反复进行试验，一是确保设计的方是的可行的，二是使方案实施的稳定性更加高。

4 结语

随着科学技术的蓬勃发展，计算机的发展日新月异，各种电子器具的更新换代也是越来越快，再加上对计算机小型化， 电器功能复杂化等时代的要求，高速数字电路也更加偏向微型化，集成化，因此，对高速数字电路的设计要求也越来越高。本文旨在针对高速数字电路设计中遇到的种种问题进行一个简要的分析，其主要是提供给高速数字电路设计者一个理论上的参考。