高速PCB信號完整性分析及應用

林超文

摘 要 現代電子技術發展迅猛，對信號邊緣速率、數字系統的時鐘速率提出了更高的要求。PCB系統需要成為具有高性能的系統結構，而不再僅是支撐作用的電子元器件。目前的電子系統設計普遍信號頻率高于了100MHZ，傳輸線效應會在PCB板的走線上出現，對系統產生嚴重影響。PCB的設計過程也就是解決高速所引起的信號完整性的過程，應該注重信號完整性的思路設計指導。本文簡要分析了影響高速PCB信號完整性的因素——串擾、反射、地反彈、振鈴等，結合應用實例論述了高速PCB信號完整性實現的具體方式，提供了一些設計意見。

【關鍵詞】信號完整性 PCB 應用

現代電子技術發展迅猛，對信號邊緣速率、數字系統的時鐘速率提出了更高的要求。PCB系統需要成為具有高性能的系統結構，而不再僅是支撐作用的電子元器件。目前的電子系統設計普遍信號頻率高于了100MHZ，傳輸線效應會在PCB板的走線上出現。一個設計的關鍵就是妥善的處理高速信號的完整性。傳統高速解決辦法是等問題出現之后才能查找、解決問題，對設計者的經驗和診斷技術要求較高，產品開發周期長，可控性不高。高密度高速度的電路設計不適合這種方式。高速PCB設計可提高產品性能，大幅度縮短研發周期、減少成本投入。但在實際的PCB系統中，信號完整性依然是設計者需要面對的嚴峻問題。

1 影響高速PCB信號完整性因素

信號完整性（Signal Integrity，簡稱SI）是指在電路中的信號以正確的時序、電壓做出響應。若電路信號達到集成電路（IC）時是以要求的時序、持續的時間、電壓幅值，那么可以確認該電路的信號具有較好的完整性。串擾、反射、地反彈、振鈴等因素都會影響到信號的完整性。高速數字系統的工作頻率一般都是不小于50MHZ，通常系統會要求有較高的工作頻率，信號也要有較快的邊沿變化速率。在實際的PCB系統中影響SI的問題不再僅是單一或幾個因素，而是與板級設計相關。影響因素發射是指若在PCB中有只要沒有正確端接一根布線，驅動端發出的脈沖信號就會在接收端被發射，信號輪廓會因反射信號和原信號的疊加而失真顯著，設計失敗。串擾在PCB板上的表現是當有信號在一根信號線上通過時，板上相鄰的信號線上也會由于感應出現相關的信號。地反彈的情況容易在電路中電流較大時出現。信號反復出現過沖和下沖的情況稱為振鈴表現，這種情況的出現主要是走線過長或者是有太快信號變化；目前大部分元件在接收端有二極管保護輸入，但出現振鈴時過沖的電平可能會損壞元件。

2 高速PCB信號完整性應用分析

優秀的高速PCB設計在依靠仿真的同時，也必須要同時考慮原理圖設計、元件和電路板的參數、高速信號線走線等方面。高性能的PCB設計中忽視任何一個環節都可能會帶來信號完整性的問題，引起系統不穩定而設計失敗。現以某系統設計為例：基于某公司的設計合成孔徑雷達模擬信號發生器，采用Altera公司的EPM7128為控制邏輯，IDT公司的IDT72V3680為FIFO，AD公司的AD9751為DA。時鐘頻率為105MHZ，210MSPS的DA轉換速率，PCI控制器到FIFO達到DA的數據流向。本系統屬于高頻范圍，需要考慮信號完整性的問題。圖1為高速PCI控制器系統框圖。布局時要考慮到高數字部分的信號完整性、高數字部分不會干擾到模擬部分，因此數字部分由CPLD、FIFO、鎖相環（Z9973）圍繞PCI9056構成，而模擬部分是DA、運放和濾波。

數字系統特別關鍵的地方就是時鐘，這關系到信號的完整性。在初始設計時鐘是采用直接連接，得到的仿真結果很不好，如圖2所示。通過分析發現較大的反射和振鈴是由負載端和驅動端的抗阻不匹配引起，用串聯電阻的方式來嘗試解決。最后經過多次測試，在采用50歐的電阻能夠達到波形，如圖3所示。

為保證反射問題能夠解決，首先要確保驅動端、傳輸線、負載端的阻抗能夠匹配。在PCB中細微變化都有可能會引起反射，因此要注意走線長度、寬度拐角、過孔的位置，以及PCB的介質、厚度等。串擾通過布線解決，過程中盡量少平行走線，若不可避免，平行走線的長度也應控制在最短。數據線的拓撲結構占用面積控制通過采用高密度管腳封裝的器件、合理布局的方式進行控制。這樣電流回路面積盡可能的縮小也使得數字部分的電磁輻射得以降低，系統的電磁兼容性得到提到。數據得到的仿真波形如圖4所示。

3 結束語

隨著高速電路系統設計復雜性的提高，高速PCB的信號完整性的解決難度也會加大，這是一個非常復雜的設計過程。在實際應用中，設計初始就應當要考慮到器件的合理性，若選用高性能和速率的器件，那么在解決信號完整性的難度就會加大。PCB的設計過程也就是解決高速所引起的信號完整性的過程，應該注重信號完整性的思路設計指導。目前出現了許多的信號完整性分析模型和分析算法，很多基于信號完整性的高速PCB設計應用于電子產品中，但依然要清楚的認識到還有諸多的問題需要解決。

參考文獻

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作者單位

深圳市英達維諾電路科技有限公司 廣東省深圳市 518126