淺談PCB的信號完整性設(shè)計(jì)分析

李帥

【摘要】? ? 信號完整性設(shè)計(jì)是PCB設(shè)計(jì)中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系著PCB設(shè)計(jì)整體效果，決定PCB生產(chǎn)與應(yīng)用質(zhì)量。基于此，本文以PCB信號完整性設(shè)計(jì)為研究對象，簡要分析了PCB信號完整性設(shè)計(jì)的必要性、PCB信號完整性的內(nèi)涵以及PCB信號完整性的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】? ? PCB設(shè)計(jì)? ? 信號完整性

引言：

在電子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展與推廣應(yīng)用下，電子設(shè)備呈現(xiàn)出多類型、多功能、輕質(zhì)量、小型化、精細(xì)化、自動化發(fā)展態(tài)勢，并廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活與學(xué)習(xí)中。隨著電子設(shè)備及其應(yīng)用的高速發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)的重要性不斷提升。如何改善PCB信號完整性問題，提升PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量與應(yīng)用效果成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。

一、PCB的信號完整性設(shè)計(jì)的必要性分析

PCB（Printed Circuit Board，印制線路板/印刷電路板/印制板）是電子設(shè)備、電子系統(tǒng)中的重要構(gòu)成部件，承擔(dān)著電子元器件電氣連接的重要使命。能夠?qū)崿F(xiàn)電子元器件自動檢測、自動貼裝，在保證電氣設(shè)備生產(chǎn)與應(yīng)用質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約電子設(shè)備生產(chǎn)成本，提升電子設(shè)備管理效率。隨著近些年我國電子科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，電子設(shè)備呈現(xiàn)出多類型、多功能、輕質(zhì)量、小型化、精細(xì)化、自動化發(fā)展態(tài)勢，并廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活與學(xué)習(xí)中。在此背景下，PCB制造趨向高密度、高精度、高速度、輕質(zhì)量、小型化、細(xì)導(dǎo)線、細(xì)間距等方向發(fā)展，對PCB設(shè)計(jì)提出了更高要求。而隨著PCB制造的“高”、“精”、“細(xì)”、“輕”、“快”發(fā)展，PCB的信號完整性（PCB信號線的信號傳輸質(zhì)量）問題日漸顯著，信號反射、信號串?dāng)_、信號過沖與下沖、振鈴、地彈等現(xiàn)象頻發(fā)，成為影響PCB制造質(zhì)量，制約電子產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的核心要素。

二、PCB的信號完整性設(shè)計(jì)內(nèi)涵分析

信號完整性是指電路系統(tǒng)中信號的質(zhì)量能夠不失真地從源端傳送到接收端。信號快速的跳變（上升沿與下降沿）引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期效果，這也是信號完整性問題的根源所在。在PCB設(shè)計(jì)過程中，信號完整性問題是一個(gè)綜合性問題，導(dǎo)致PCB信號完整性的因素有很多，主要包括信號的反射、信號的串?dāng)_、電源和地分配中的軌道塌陷以及來自系統(tǒng)的電磁干擾和輻射等四個(gè)方面。對此，要想改善PCB的信號完整性問題，需要在PCB設(shè)計(jì)之初就做好信號完整性問題的綜合分析工作，在PCB設(shè)計(jì)全過程中滲透改善信號完整性的措施，最終實(shí)現(xiàn)對PCB信號完整性的科學(xué)控制。

三、PCB的信號完整性設(shè)計(jì)方法分析

（一）就信號反射而言，信號在傳輸過程中，每時(shí)每刻都會感受到一個(gè)瞬態(tài)阻抗，當(dāng)信號所感受到的瞬態(tài)阻抗相一致時(shí)，信號順利傳輸;當(dāng)信號所感受到的瞬態(tài)阻抗產(chǎn)生變化時(shí)則會發(fā)生信號反射。反射會造成信號過沖、振鈴、邊沿遲緩等問題。衡量信號反射的重要指標(biāo)是反射系數(shù)，表示反射信號與入射信號幅值之比，其大小為：ρ= （Z2-Z1）/（Z2+Z1）， Z1是第一個(gè)區(qū)域的特性阻抗，Z2是第二個(gè)區(qū)域的特性阻抗。反射是經(jīng)常遇到的信號完整性問題，我們只能無限地縮小它，卻不能完全消除它。在PCB設(shè)計(jì)過程中，我們可以通過調(diào)整布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制走線阻抗以及對信號線進(jìn)行匹配等方法進(jìn)行處理。

（二）信號的串?dāng)_是指信號在傳輸線路上傳輸時(shí)，由于電磁耦合而對相鄰的傳輸線產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。串?dāng)_一般通過兩種途徑：電容耦合和電感耦合。串?dāng)_不是來自于外部的噪聲，而是由內(nèi)部傳輸線之間的電磁效應(yīng)引起的。解決串?dāng)_問題的方式主要有增加走線間距、進(jìn)行端接匹配、相鄰層走線相互交叉、保證信號線有良好的回流路徑、對重要信號線進(jìn)行包地處理等方式。

（三）軌道塌陷是指當(dāng)通過電源和地路徑的電流發(fā)生變化時(shí)，在電源路徑和地路徑間的阻抗上將產(chǎn)生一個(gè)壓降，可以看做是電源與地間的電壓減小或塌陷。軌道塌陷噪聲主要是電源分配網(wǎng)絡(luò)問題。解決方法：電源和地平面之間放置去耦電容;電源和地之間的連接線盡可能地短和寬;電源層和地層盡可能的靠近放置;盡可能地讓返回電流靠近信號電流。

（四）EMI有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是通過導(dǎo)電介質(zhì)把信號耦合到另一根信號線上，輻射干擾則是通過空間耦合的方式。高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為干擾源，發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。解決方法：對特殊器件如高頻、模擬、敏感等器件進(jìn)行合理放置;合理劃分PCB的模擬、數(shù)字等區(qū)域;處理好電源和地的布線;采用合理的接地方式等。

結(jié)論：PCB的信號完整性決定著PCB信號傳輸質(zhì)量，隨著PCB高密度、高集成、輕質(zhì)量發(fā)展，PCB的信號完整性問題日漸顯著，成為影響PCB研發(fā)與應(yīng)用的核心要素。對此，在PCB設(shè)計(jì)研發(fā)與生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)明確認(rèn)識PCB的信號完整性問題，掌握PCB的信號完整性設(shè)計(jì)方法，提升PCB的信號完整性設(shè)計(jì)質(zhì)量，為電子產(chǎn)品創(chuàng)新與應(yīng)用提供保障。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳放，田建宇，孫兆牛，等.基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法研究[J].航天控制，2017，35（04）：90-94.