那些課本上找不到的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)技巧

阻抗匹配檢查

首先要檢查線寬，同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)該保持一致，線寬的變化會(huì)導(dǎo)致線路特性阻抗的不均勻，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)乃俣冗^(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免這種情況。在某些條件下，如接插件引出線，BGA封裝的引出線類(lèi)似的結(jié)構(gòu)時(shí)，可能無(wú)法避免線寬的變化，應(yīng)該盡量減小中間不一致部分的有效長(zhǎng)度。

走線終結(jié)網(wǎng)絡(luò)

在高速數(shù)字電路中，當(dāng)PCB走線的延遲時(shí)間大于信號(hào)上升時(shí)間/下降時(shí)間的1/4時(shí)，該走線就可以看作傳輸線，為了保證信號(hào)輸入和輸出阻抗與傳輸線阻抗正確匹配，所選擇的匹配方法與網(wǎng)絡(luò)的連接方式和布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。

• 對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入）的連接，可以選擇始端串聯(lián)匹配和終端并聯(lián)匹配，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但延遲較大；后者匹配效果好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
• 對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入）的連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為菊花鏈時(shí)，應(yīng)選擇終端并聯(lián)匹配；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為星型結(jié)構(gòu)時(shí)，可以參考點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案。菊花鏈和星型為兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)都可以看成是這兩種結(jié)構(gòu)的變形，可以采取一些靈活的措施進(jìn)行匹配，在實(shí)際操作中要兼顧成本、功耗和性能等因素，一般不追求完全匹配，只要將失配所引起的反射等干擾控制在可接受的范圍內(nèi)即可。

走線閉環(huán)檢查

目的是防止信號(hào)線在不同層之間形成自環(huán)。在多層板設(shè)計(jì)中容易發(fā)生此類(lèi)問(wèn)題，自環(huán)將會(huì)引起輻射干擾。

走線分支長(zhǎng)度

分支的長(zhǎng)度需要有效控制，一般的要求是Tdelay≤Trise/20。此外，針對(duì)高頻信號(hào)，還要考慮走線的諧振規(guī)則，一般要求布線長(zhǎng)度不得與其波長(zhǎng)成整數(shù)倍關(guān)系，以免產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

走線長(zhǎng)度控制

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是遵循短線規(guī)則，在布線時(shí)應(yīng)該讓其長(zhǎng)度盡可能短，以減小由于走線過(guò)長(zhǎng)所帶來(lái)的干擾問(wèn)題，特別是一些重要信號(hào)線，比如時(shí)鐘信號(hào)，務(wù)必讓其振蕩器盡量靠近器件。對(duì)于需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)器件的情況，應(yīng)該根據(jù)具體情況來(lái)決定采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

倒角規(guī)則

PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免產(chǎn)生銳角和直角，以免產(chǎn)生不必要的輻射，同時(shí)工藝性能也不好。

器件去耦規(guī)則

• 在印刷板上增加必要的去耦電容，濾除電源上的干擾信號(hào)，使電源信號(hào)穩(wěn)定。在多層板中，對(duì)去耦電容的位置一般要求不太高，但對(duì)于雙層板，去耦電容的位置及電源的布線方式將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有時(shí)甚至關(guān)系到設(shè)計(jì)的成敗。
• 在雙層板設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)該使電流先經(jīng)過(guò)去耦電容濾波再供器件使用，同時(shí)還要充分考慮到由器件產(chǎn)生的電源噪聲對(duì)下游器件的影響，一般來(lái)說(shuō)，采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較好，在設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致的電壓跌落給器件帶來(lái)的影響，必要時(shí)增加一些電源濾波環(huán)路，避免產(chǎn)生電位差。
• 在高速電路設(shè)計(jì)中，能否正確使用去耦電容，關(guān)系到整個(gè)板子的穩(wěn)定性。

器件布局規(guī)則

• 主要目的是為了防止不同工作頻率的模塊之間的相互干擾，同時(shí)盡量縮短高頻部分的布線長(zhǎng)度。通常將高頻的模塊布置在接口周?chē)詼p小布線長(zhǎng)度，當(dāng)然，這樣的布局仍然要考慮到低頻信號(hào)可能受到的干擾，同時(shí)還要考慮到高頻和低頻的地平面分割問(wèn)題，通?？紤]將兩者的地分割開(kāi)來(lái)，再在接口處單點(diǎn)相連。
• 對(duì)于混合電路，有的做法是將模擬電路與數(shù)字電路分別布置在印刷板的兩面，同時(shí)分別使用不同的層來(lái)布線，中間用地層來(lái)隔離的方式。

孤立銅區(qū)控制

孤立銅區(qū)的出現(xiàn)，將帶來(lái)一些不可預(yù)知的問(wèn)題，因此將孤立銅區(qū)與別的信號(hào)相連接，有助于改善信號(hào)質(zhì)量。通常做法是將孤立銅區(qū)接地或者刪除，在實(shí)際制作中，PCB廠家一般會(huì)在空余的地方增加銅箔，這主要是為了方便印刷板加工，同時(shí)可以增加印刷板的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)防止翹曲有一定效果。

電源與地層的完整性

對(duì)于導(dǎo)通孔密集的區(qū)域，要注意避免孔在電源和地層的挖空區(qū)域相互連接，從而形成對(duì)平面層的分割，破壞平面層的完整性，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)線在地層的回路面積增大。

重疊電源與地層

不同的電源層在空間上要避免重疊，主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源層。無(wú)論如何，電源平面的重疊問(wèn)題一定要避免，如果空間布置有困難，可以考慮在兩個(gè)電源層之間安放地層。

3W規(guī)則

這個(gè)在之前有提到過(guò)，3W規(guī)則是為了減少線間串?dāng)_，要求保證線間距的足夠大，當(dāng)線中心的間距不小于3倍的線寬時(shí)，則可保持70%的電場(chǎng)不會(huì)互相干擾，如果要保證98%的電場(chǎng)不互相干擾，可以使用10W的間距。

20H規(guī)則

由于電源層與地層之間的電場(chǎng)是變化的，在板的邊沿會(huì)向外輻射電磁干擾，稱為邊沿效應(yīng)。有效的解決辦法是將電源層內(nèi)縮，使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。以一個(gè)H（電源層和地層之間的介質(zhì)厚度）為單位，若內(nèi)縮20H則可以將70%的電場(chǎng)限制在接地層的邊沿內(nèi)，內(nèi)縮100H則可以將98%的電場(chǎng)限制在接地層的邊沿內(nèi)。

五五規(guī)則

這是印刷板層數(shù)的選擇依據(jù)，即時(shí)鐘頻率達(dá)到5MHz或者脈沖上升時(shí)間小于5ns時(shí)，則PCB板須采用多層板，這是一般的規(guī)則，有時(shí)候出于成本因素的考慮而采用雙層板結(jié)構(gòu)時(shí)，最好將印刷板的一面做成完整的地平面層。

以上就是PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的一般規(guī)則，這些規(guī)則在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該著重考量，當(dāng)然在PCB設(shè)計(jì)評(píng)審的時(shí)候也要逐一比對(duì)，看是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。最后還是要再說(shuō)明一下，信號(hào)完整性設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)初期的DFMEA是很有必要的，同時(shí)要考慮器件類(lèi)型、材料形態(tài)、電路設(shè)計(jì)等方方面面，最后還要通過(guò)大量的測(cè)試驗(yàn)證才能得出一個(gè)優(yōu)秀的產(chǎn)品。