如何解決PCB設(shè)計的信號完整性

在電子設(shè)計領(lǐng)域，高性能設(shè)計有其獨特挑戰(zhàn)。

1 高速設(shè)計的誕生

近些年，日益增多的高頻信號設(shè)計與穩(wěn)步增加的電子系統(tǒng)性能緊密相連。

隨著系統(tǒng)性能的提高，PCB設(shè)計師的挑戰(zhàn)與日俱增：更微小的晶粒，更密集的電路板布局，更低功耗的芯片要求。

隨著所有技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們已成為高速設(shè)計的核心，需要考慮其復(fù)雜性和所有因素。

2 回顧

在過去30年，PCB設(shè)計發(fā)生了很大變化。1987年，我們認(rèn)為0.5微米是技術(shù)的終結(jié)者，但今天，22納米工藝已變成了常態(tài)。

如下圖所示，1985年的邊緣速率推進(jìn)了設(shè)計復(fù)雜性的提升（通常為30納秒），而如今邊緣速率已變成1納秒。

過去30年邊緣速率的變化。

3 技術(shù)進(jìn)步中伴隨各種問題

技術(shù)的進(jìn)步總是伴隨著一系列問題。隨著系統(tǒng)性能的提升和高速設(shè)計的采納，一些問題必須在設(shè)計環(huán)境中進(jìn)行處理。

下面，我們來總結(jié)一下面臨的挑戰(zhàn)：

信號質(zhì)量

IC制造商傾向于更低的核心電壓和更高的工作頻率，這就導(dǎo)致了急劇上升的邊緣速率。無端接設(shè)計中的邊緣速率將會引發(fā)反射和信號質(zhì)量問題。

串?dāng)_

在高速信號設(shè)計中，密集路徑往往會導(dǎo)致串?dāng)_——在PCB上，走線間的電磁耦合關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。

串?dāng)_可以是同一層上走線的邊緣耦合，也可以是相鄰層上的寬邊耦合。

耦合是三維的。與并排走線路徑相比，平行路徑和寬邊走線會造成更多串?dāng)_。

寬邊耦合（頂部）相比于邊緣耦合（底部）　　

輻射

在傳統(tǒng)設(shè)計中的快速邊緣速率，即使使用與先前相同的頻率和走線長度，也會在無端接傳輸線上產(chǎn)生振鈴。

這從根本上導(dǎo)致了更高的輻射，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了無終端傳輸線路的FCC/CISPR B類限制。

10納秒（左）和1納秒（右）的邊緣速率輻射。

4 設(shè)計解決方案

信號和電源完整性問題會間歇出現(xiàn)，很難進(jìn)行判別。所以最好的方法，就是在設(shè)計過程中找到問題根源，將之清除，而不是在后期階段試圖解決，延誤生產(chǎn)。

通過疊層規(guī)劃工具，能更容易地在您的設(shè)計中，實現(xiàn)信號完整性問題的解決方案。

5 電路板疊層規(guī)劃

高速設(shè)計的頭等大事一定是電路板疊層?；迨茄b配中最重要的組成部分，其規(guī)格必須精心策劃，避免不連續(xù)的阻抗、信號耦合和過量的電磁輻射。

在查看下次設(shè)計的電路板疊層時，請牢記以下提示和建議：

所有信號層需相鄰并緊密耦合至不間斷的參考平面，該平面可以創(chuàng)建一個明確的回路，消除寬邊串?dāng)_。

每個信號層的基板都鄰接至參考平面。

有良好的平面電容來減少高頻中的交流阻抗。緊密耦合的內(nèi)電層平面來減小頂層的交流阻抗，極大程度減少電磁輻射。

降低電介質(zhì)高度會大大減少串?dāng)_現(xiàn)象，而不會對電路板的可用空間產(chǎn)生影響。

基板應(yīng)能適用一系列不同的技術(shù)。例如：50/100歐姆數(shù)位，40/80歐姆DDR4，90歐姆USB。

6 布線和工作流程

精心策劃疊層后，下一步便需關(guān)注電路板布線?；谠O(shè)計規(guī)則和工作區(qū)域的精心配置，您能夠最高效成功地對電路板進(jìn)行布線。

以下這些提示，能幫助您的布線更加容易，避免不必要的串?dāng)_、輻射和信號質(zhì)量問題：

簡化視圖，以便清楚查看分割平面和電流回路。

為此，首先確定哪個銅箔平面（地或電源）作為每個信號層的參考平面，然后打開信號層和內(nèi)電層平面同時查看。這能幫助您更容易地看到分割平面的走線。

多重信號層（左）、頂層和相鄰平面視圖（右）

如果數(shù)字信號必須穿越電源參考平面，您可以靠近信號放置一或兩個去耦電容（100nF）。這樣，就在兩個電源之間提供了一個電流回路。

避免平行布線和寬邊布線，這會比并排布線導(dǎo)致更多串?dāng)_。

除非使用的是同步總線，否則，平行區(qū)間越短越好，以減少串?dāng)_。為信號組留出空間，使其地址和數(shù)據(jù)間隔是走線寬度的三倍。

在電路板的頂層和底層使用組合微帶層時要小心。這可能導(dǎo)致相鄰板層間走線的串?dāng)_，危及信號完整性。

按信號組的最長延遲為時鐘（或選通）信號走線，這保證了在時鐘讀取前，數(shù)據(jù)已經(jīng)建立。

在平面之間對嵌入式信號進(jìn)行走線，有助于輻射最小化，還能提供ESD保護。

7 信號清晰度

在未來，電子設(shè)計的復(fù)雜性毫無疑問會持續(xù)增加，這會給PCB設(shè)計師帶來一系列亟待解決的挑戰(zhàn)。確保電路板疊層、阻抗、電流回路的正確配置，是設(shè)計穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

編輯：黃飛

?