PCB設(shè)計(jì)中處理信號(hào)完整性的常見問題及解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能設(shè)計(jì)有其獨(dú)特挑戰(zhàn)。

高速設(shè)計(jì)的誕生

近些年，日益增多的高頻信號(hào)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的核心，需要考慮其復(fù)雜性和所有因素。

回顧

在過去30年，PCB設(shè)計(jì)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(jì)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

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(jì)的采納，一些問題必須在設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)中的邊緣速率將會(huì)引發(fā)反射和信號(hào)質(zhì)量問題。

串?dāng)_

在高速信號(hào)設(shè)計(jì)中，密集路徑往往會(huì)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(huì)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(jì)中的快速邊緣速率，即使使用與先前相同的頻率和走線長(zhǎng)度，也會(huì)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

設(shè)計(jì)解決方案

信號(hào)和電源完整性問題會(huì)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(jì)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(jì)中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性問題的解決方案。

電路板疊層規(guī)劃

高速設(shè)計(jì)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(hào)耦合和過量的電磁輻射。在查看您下次設(shè)計(jì)的電路板疊層時(shí)，請(qǐng)牢記以下提示和建議：

所有信號(hào)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(gè)明確的回路，消除寬邊串?dāng)_。

每個(gè)信號(hào)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(huì)大大減少串?dāng)_現(xiàn)象，而不會(huì)對(duì)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。

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(jì)規(guī)則和工作區(qū)域的精心配置，您能夠最高效成功地對(duì)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(hào)質(zhì)量問題：

簡(jiǎn)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(gè)銅箔平面(地或電源)作為每個(gè)信號(hào)層的參考平面，然后打開信號(hào)層和內(nèi)電層平面同時(shí)查看。這能幫助您更容易地看到分割平面的走線。

多重信號(hào)層(左)、頂層和相鄰平面視圖(右)

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

避免平行布線和寬邊布線，這會(huì)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(hào)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(shí)要小心。這可能導(dǎo)致相鄰板層間走線的串?dāng)_，危及信號(hào)完整性。

按信號(hào)組的最長(zhǎng)延遲為時(shí)鐘(或選通)信號(hào)走線，這保證了在時(shí)鐘讀取前，數(shù)據(jù)已經(jīng)建立。

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

信號(hào)清晰度

在未來，電子設(shè)計(jì)的復(fù)雜性毫無疑問會(huì)持續(xù)增加，這會(huì)給PCB設(shè)計(jì)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(jì)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。