PCB設計中處理信號完整性的常見問題及解決方案

在電子設計領域，高性能設計有其獨特挑戰(zhàn)。

高速設計的誕生

近些年，日益增多的高頻信號設計與穩(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。隨著所有技術的迅猛發(fā)展，我們已成為高速設計的核心，需要考慮其復雜性和所有因素。

回顧

在過去30年，PCB設計發(fā)生了很大變化。 1987年，我們認為0.5微米是技術的終結者，但今天，22納米工藝已變成了常態(tài)。如下圖所示，1985年的邊緣速率推進了設計復雜性的提升(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

技術進步中伴隨各種問題

技術的進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計的采納，一些問題必須在設計環(huán)境中進行處理。下面，我們來總結一下面臨的挑戰(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，這就導致了急劇上升的邊緣速率。無端接設計中的邊緣速率將會引發(fā)反射和信號質(zhì)量問題。

串擾

在高速信號設計中，密集路徑往往會導致串擾——在PCB上，走線間的電磁耦合關聯(lián)現(xiàn)象。

串擾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擾。

寬邊耦合(頂部)相比于邊緣耦合(底部)

輻射

在傳統(tǒng)設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。這從根本上導致了更高的輻射，遠遠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

設計解決方案

信號和電源完整性問題會間歇出現(xiàn)，很難進行判別。所以最好的方法，就是在設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計中，實現(xiàn)信號完整性問題的解決方案。

電路板疊層規(guī)劃

高速設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。在查看您下次設計的電路板疊層時，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，消除寬邊串擾。

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)高度會大大減少串擾現(xiàn)象，而不會對電路板的可用空間產(chǎn)生影響。

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

布線和工作流程

精心策劃疊層后，下一步便需關注電路板布線?；谠O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，避免不必要的串擾、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，這會比并排布線導致更多串擾。

除非使用的是同步總線，否則，平行區(qū)間越短越好，以減少串擾。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。這可能導致相鄰板層間走線的串擾，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行走線，有助于輻射最小化，還能提供ESD保護。

信號清晰度

在未來，電子設計的復雜性毫無疑問會持續(xù)增加，這會給PCB設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，是設計穩(wěn)定性的基礎。