高速PCB信号完整性分析及应用

林超文

摘 要 现代电子技术发展迅猛，对信号边缘速率、数字系统的时钟速率提出了更高的要求。PCB系统需要成为具有高性能的系统结构，而不再仅是支撑作用的电子元器件。目前的电子系统设计普遍信号频率高于了100MHZ，传输线效应会在PCB板的走线上出现，对系统产生严重影响。PCB的设计过程也就是解决高速所引起的信号完整性的过程，应该注重信号完整性的思路设计指导。本文简要分析了影响高速PCB信号完整性的因素——串扰、反射、地反弹、振铃等，结合应用实例论述了高速PCB信号完整性实现的具体方式，提供了一些设计意见。

【关键词】信号完整性 PCB 应用

现代电子技术发展迅猛，对信号边缘速率、数字系统的时钟速率提出了更高的要求。PCB系统需要成为具有高性能的系统结构，而不再仅是支撑作用的电子元器件。目前的电子系统设计普遍信号频率高于了100MHZ，传输线效应会在PCB板的走线上出现。一个设计的关键就是妥善的处理高速信号的完整性。传统高速解决办法是等问题出现之后才能查找、解决问题，对设计者的经验和诊断技术要求较高，产品开发周期长，可控性不高。高密度高速度的电路设计不适合这种方式。高速PCB设计可提高产品性能，大幅度缩短研发周期、减少成本投入。但在实际的PCB系统中，信号完整性依然是设计者需要面对的严峻问题。

1 影响高速PCB信号完整性因素

信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指在电路中的信號以正确的时序、电压做出响应。若电路信号达到集成电路（IC）时是以要求的时序、持续的时间、电压幅值，那么可以确认该电路的信号具有较好的完整性。串扰、反射、地反弹、振铃等因素都会影响到信号的完整性。高速数字系统的工作频率一般都是不小于50MHZ，通常系统会要求有较高的工作频率，信号也要有较快的边沿变化速率。在实际的PCB系统中影响SI的问题不再仅是单一或几个因素，而是与板级设计相关。影响因素发射是指若在PCB中有只要没有正确端接一根布线，驱动端发出的脉冲信号就会在接收端被发射，信号轮廓会因反射信号和原信号的叠加而失真显著，设计失败。串扰在PCB板上的表现是当有信号在一根信号线上通过时，板上相邻的信号线上也会由于感应出现相关的信号。地反弹的情况容易在电路中电流较大时出现。信号反复出现过冲和下冲的情况称为振铃表现，这种情况的出现主要是走线过长或者是有太快信号变化；目前大部分元件在接收端有二极管保护输入，但出现振铃时过冲的电平可能会损坏元件。

2 高速PCB信号完整性应用分析

优秀的高速PCB设计在依靠仿真的同时，也必须要同时考虑原理图设计、元件和电路板的参数、高速信号线走线等方面。高性能的PCB设计中忽视任何一个环节都可能会带来信号完整性的问题，引起系统不稳定而设计失败。现以某系统设计为例：基于某公司的设计合成孔径雷达模拟信号发生器，采用Altera公司的EPM7128为控制逻辑，IDT公司的IDT72V3680为FIFO，AD公司的AD9751为DA。时钟频率为105MHZ，210MSPS的DA转换速率，PCI控制器到FIFO达到DA的数据流向。本系统属于高频范围，需要考虑信号完整性的问题。图1为高速PCI控制器系统框图。布局时要考虑到高数字部分的信号完整性、高数字部分不会干扰到模拟部分，因此数字部分由CPLD、FIFO、锁相环（Z9973）围绕PCI9056构成，而模拟部分是DA、运放和滤波。

数字系统特别关键的地方就是时钟，这关系到信号的完整性。在初始设计时钟是采用直接连接，得到的仿真结果很不好，如图2所示。通过分析发现较大的反射和振铃是由负载端和驱动端的抗阻不匹配引起，用串联电阻的方式来尝试解决。最后经过多次测试，在采用50欧的电阻能够达到波形，如图3所示。

为保证反射问题能够解决，首先要确保驱动端、传输线、负载端的阻抗能够匹配。在PCB中细微变化都有可能会引起反射，因此要注意走线长度、宽度拐角、过孔的位置，以及PCB的介质、厚度等。串扰通过布线解决，过程中尽量少平行走线，若不可避免，平行走线的长度也应控制在最短。数据线的拓扑结构占用面积控制通过采用高密度管脚封装的器件、合理布局的方式进行控制。这样电流回路面积尽可能的缩小也使得数字部分的电磁辐射得以降低，系统的电磁兼容性得到提到。数据得到的仿真波形如图4所示。

3 结束语

随着高速电路系统设计复杂性的提高，高速PCB的信号完整性的解决难度也会加大，这是一个非常复杂的设计过程。在实际应用中，设计初始就应当要考虑到器件的合理性，若选用高性能和速率的器件，那么在解决信号完整性的难度就会加大。PCB的设计过程也就是解决高速所引起的信号完整性的过程，应该注重信号完整性的思路设计指导。目前出现了许多的信号完整性分析模型和分析算法，很多基于信号完整性的高速PCB设计应用于电子产品中，但依然要清楚的认识到还有诸多的问题需要解决。

参考文献

[1]李征帆，毛军发.微波与高速电路理论[M].上海：上海交通大学出版社，2001.

[2]秦洪密，李军，朱顺临.高速PCB设计中的时序分析及仿真策略[J].电子技术应用学报，2010，32（03）：96-98.

[3]孔令媛.浅析高数字电路中的信号完整性[J].黑龙江科技信息，2009（34）：87-84.

作者单位

深圳市英达维诺电路科技有限公司 广东省深圳市 518126