信号完整性分析及其在高速PCB设计中的应用

赵娜

摘 要

对于高速系统设计来说，PCB板中的线走向将直接呈现高速系统的数据传输效益，对整个系统的运转影响较为显著。本文就将从信号完整性的几个影响方面切入，并且基于此创建了一种仿真建模措施，并且通过使用SQ来对高速系统信号的完整性进行了仿真波分析。

【关键词】信号完整性 高速系统设计 PCB板 设计方式

在进行电路设计时，当一项信号传输的互联延迟大于边缘信号翻转阀值的20%时，那么电路系统中的PCB板就会出现传输线效应，也就是指不再显示总参数，而只是进行一般的引导性能，并且呈现出分布式参数效应。因此高速设计在电路设计中是一个非常难的课题，噪声将对系统设计产生较为显著的影响，所产生的声波频率将会产生较大的干扰，如果不尽量抑制这些问题的话，那么噪声就将对系统产生损坏。

1 影响高速系统设计PCB板信号完整性的各类因素

信号完整性通常是指一股信号在通过信号线传输之后所存在的信号质量。想要信号完整性的程度较高或具有一定的需求，那么就必须让其达到特定的电压数值。而信号完整性较差并不是有某一个特定的因素所导致的，而是由板级设计中多方面的因素共同导致的。以下几个方面就是影响信号完整性的因素。

1.1 定时

定时的问题主要是由于时间延迟所导致的，时间延迟过长那么所导致的时序混乱也将更加严重。系统中的驱动软件过载、走线过长都将导致延迟问题出现。在相当有限的时间内要满足大量的时间延迟问题，其中包括时间模块创建、延迟时间设定等内容。当处于高速运转时，传输导线上的等效电容、电杆都将会对信号完整性的传输造成延迟影响，进而对信号模块的建立造成影响，最终导致信号的传输完整性被破坏。

1.2 信号反射

信号反射通常是指信号在传输线路上产生的回波。信号通过传输线的引导在将部分信号功率传输给负载的同时，还可能由于阻抗的不匹配特性，一部分的信号能量可以将其反射会源端当中。如果阻抗匹配得当，那么信号将全部传递给负载，信号反射现象也将不会出现。

1.3 振铃

振铃的主要表现就是信号反复出现过冲或下冲现象，通常是处于逻辑电平门限部位抖动，并且震荡成为欠阻尼的状态。信号之上的振铃现象主要是由于传输线上的过渡和寄生电感与电容所引起的收端与源端阻抗失配所导致的。

1.4 串扰

在一般情况下，串扰只可能出现在改变原速率的高密度电板当中，其主要的原因就是因为信号线上有处于随时突变的信号电流通过，随之产生电流交变的信号阻碍磁场，而处于该类型磁场中的相邻信号线就会产生较高的电压，这种串扰现象非常容易与附近的电板线路产生耦合现象。

1.5 地反弹

如果在高速电路板中，大容量数据的总线交换速率足够的快速，那么就会产生较大的瞬态电流，进而通过回路的方式让电流产生一定的变化，也正是由于电流回路而产生一个特定的电压，上升的沿线也就越短，电流变化率随之变大，地反弹电压的能量也就越大。

2 基于信号完整性的高速PCB设计方法

2.1 传统的PCB板设计方法

在传统的设计流程中，PCB的设计主要由电路设计、版图设计、PCB制作和测量调试等步骤组成。在进行电路设计的时候，PCB板上的信号传输特性分析方法和手段受到一定的限制，所以电路的设计只能根据零部件生产厂家和专业人员的指导下进行。所以在对新项目进行设计的时候，一般不能以实际情况为基础对设计中的数据进行准确地选择。

在版图设计的过程中，由于元器件布局和信号布线产生的信号很难根据实际情况进行分析和评估，所以经常以过去的经验作为指导来完成设计。在制作PCB板的过程中，由于元器件的生产工艺存在差异，所以实际设计的时候会与元器件的参数存在较大的差异，从而很难实现对PCB板的性能控制。

2.2 基于信号完整性分析的PCB设计方法

与传统的PCB设计方法不同，基于信号完整性分析的PCB设计在进行PCB板设计之前，要建立相应的高速数字信号传输的信号完整性模型。根据SI模型对信号完整性问题进行提前的分析，然后根据计算结果对元器件的类型和相关参数进行确定，并将其作为电路设计的依据。

在设计电路的时候，需要通过SI模型对设计方案进行信号完整性分析，并综合元器件与PCB板参数的公差范围和版图设计中可能的参数变化，然后计算解空间。在完成对电路的设计后，当元器件参数在一定范围内变化时，元器件的布局和信号线的布线处于灵活状态时，信号完整性仍能得到保障。版图设计之前要将解空间的边界值作为其布局和布线的依据。在设计PCB版图的时候，需要通过SI模型对其完整性进行分析，从而确保能满足整体的要求。

完成PCB的设计后就可以制作PCB板，制作过程中要保证其制作参数的公差范围在信号完整性分析的解空间范围之内。制作完成后需要对其进行测量调试，以此作为对SI模型及其分析正确性验证和修正依据，完成对PCB板的修改后即可最终定稿。

3 结束语

综上所述，高速电路设计是一个较为复杂的设计流程，而随着系统设计逐渐区域复杂化和多样化，信号完整性特点也将越来越凸显出来。因此，在设计的初期必须要合理选择器件，不能一味追求高性能和高速率。

参考文献

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作者单位

河北诺亚人力资源开发有限公司 河北省石家庄市 050081