基于信號(hào)完整性分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法

孫建光

摘要把基于信號(hào)完整性分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法和相對(duì)來(lái)說(shuō)比較傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，文章主要介紹的就是PCB設(shè)計(jì)的方法，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，先對(duì)所有的速度數(shù)字信號(hào)建立PCB板級(jí)信號(hào)傳輸模型，然后對(duì)其傳輸?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

關(guān)鍵詞信號(hào)完整性；設(shè)計(jì)的方法；分析模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0054-02

由于集成電路輸出的開(kāi)關(guān)速度處于不斷提高的環(huán)境中，PCB板相關(guān)的密度也在不斷的增加，信號(hào)完整性成為高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)者比較關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)信號(hào)的完整性有著影響的主要分為三個(gè)因素：一是元器件和PCB板的相關(guān)參數(shù)；二是元器件在PCB板上相關(guān)的布局；三是速度信號(hào)進(jìn)行布線等，在一定程度上會(huì)使工作系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能進(jìn)行工作。在PCB板設(shè)計(jì)的過(guò)程中，影響信號(hào)完整性的因素要進(jìn)行充分的考慮，這也是PCB設(shè)計(jì)業(yè)中一個(gè)比較熱門(mén)的問(wèn)題之一。

1信號(hào)完整性

信號(hào)完整性簡(jiǎn)稱(chēng)SI，主要是指信號(hào)在電路中不僅能夠以正確的時(shí)序體現(xiàn)響應(yīng)的能力，還能以正確的電壓做出響應(yīng)的能力。電路集達(dá)到電路芯片的過(guò)程中，電路中的信號(hào)是按時(shí)序、維持的時(shí)間內(nèi)以及電壓幅度進(jìn)行達(dá)到的，就說(shuō)明該電路中有著比較好的信號(hào)完整性。如果信號(hào)在電路中不能夠進(jìn)行正常的反應(yīng)，就說(shuō)明信號(hào)的完整性出現(xiàn)了問(wèn)題。信號(hào)完整性的問(wèn)題主要有：一是延遲；二是反射；三是串?dāng)_；四是同步切換噪聲；五是電磁干擾。

延遲主要指的就是信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上進(jìn)行有限速度的傳輸，信號(hào)開(kāi)始是在發(fā)送端進(jìn)行發(fā)出，并發(fā)送到接收端，在這個(gè)過(guò)程中存在傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)在一定程度上對(duì)系統(tǒng)時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，導(dǎo)線的長(zhǎng)度以及導(dǎo)線周?chē)慕殡姵?shù)是傳輸延遲的主要因素。

PCB板上的導(dǎo)線上有兩個(gè)阻抗，一是特征阻抗；二是負(fù)載阻抗，當(dāng)兩個(gè)阻抗得不到匹配的同時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端之后，就會(huì)有一些能量沿著傳輸線進(jìn)行返回的現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)波發(fā)生了畸變的現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)上下過(guò)沖，信號(hào)如果在傳輸線上進(jìn)行來(lái)回的反射，不僅會(huì)產(chǎn)生振鈴，還會(huì)出現(xiàn)環(huán)繞震蕩。

不僅PCB板上的任意兩個(gè)器件和導(dǎo)線不僅能夠互容，還能夠互感。如果當(dāng)一個(gè)器件的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在互容和互感的情況下，對(duì)其他的器件產(chǎn)生一定的影響，也就是串?dāng)_。

如果PCB板上出現(xiàn)比較多信號(hào)進(jìn)行互換的現(xiàn)象時(shí)，電源線和地下線兩者之間存在一定的阻抗，就會(huì)產(chǎn)生出SSN，在地線上就會(huì)出現(xiàn)反彈噪聲，簡(jiǎn)稱(chēng)為地彈。不僅SSN的強(qiáng)度取決于集成電路I/O的特性，就連地彈的強(qiáng)度也是取決于集成電路I/O的特性，和其他一些電子設(shè)備是一樣的，PCB也存在EMI的問(wèn)題，產(chǎn)生的主要因素，不僅和PCB板的布局方式有關(guān)，還和PCB板布線方式有關(guān)。

2相關(guān)的設(shè)計(jì)方法

針對(duì)SI 計(jì)算機(jī)對(duì)PCB設(shè)計(jì)方法為：把設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行輸入，首先輸入的就是原理圖設(shè)計(jì)，對(duì)其在SI模型下進(jìn)行SI仿真的分析，仿真分析之后在進(jìn)行PCB相關(guān)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的加工，最后實(shí)行相關(guān)的測(cè)量和調(diào)試，在進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中，出現(xiàn)設(shè)計(jì)的原圖進(jìn)行相應(yīng)的修改，如果滿足調(diào)試相關(guān)的要求，就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行定型。

信號(hào)完整性分析的方法主要具有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：一是在對(duì)PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提下，必須要先建立高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)腟I模型；二是對(duì)SI問(wèn)題在SI模型中進(jìn)行相應(yīng)的仿真，并結(jié)合仿真的實(shí)際結(jié)構(gòu)，不僅要選擇比較合適的元器件類(lèi)型，還要選擇比較合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為原理圖在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要的依據(jù)；三是將設(shè)計(jì)的相關(guān)方案交到SI模型當(dāng)中，并對(duì)其進(jìn)行SI分析，不僅要結(jié)合元器件和PCB板參數(shù)公差存在的因素進(jìn)行考慮，還要對(duì)PCB圖版設(shè)計(jì)中的參數(shù)變化因素進(jìn)行考慮，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深刻的分析；四是在圖形設(shè)計(jì)完成之后，各個(gè)高速數(shù)字信號(hào)不僅應(yīng)該具有連續(xù)的解空間，還要具有可實(shí)現(xiàn)的解空間，也就是PCB在范圍內(nèi)進(jìn)行變化、元件參數(shù)在范圍內(nèi)進(jìn)行變化、PCB板上布局具有一定的靈活性、PCB板上的信號(hào)也具有靈活性等情況下，對(duì)SI的相關(guān)要求都能夠得到一定的保證；五是PCB在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，獲得信號(hào)解空間上邊界值，就是PCB在設(shè)計(jì)過(guò)程中受到約束的條件，同時(shí)不僅是PCB布局設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，還是PCB布線設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；六是在PCB整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將部分完成或者是全部完成的相關(guān)設(shè)計(jì)要送到SI模型當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行SI分析，看看設(shè)計(jì)出來(lái)的PCB版圖在設(shè)計(jì)的過(guò)程中是否符合SI的相關(guān)要求。如果在進(jìn)行SI仿真的過(guò)程中，仿真出來(lái)的結(jié)果不能滿足SI相關(guān)的要求，就要對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，嚴(yán)重的就要對(duì)PCB原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，這樣做的方法在一定程度上防止了PCB設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)PCB進(jìn)行制作的現(xiàn)象。PCB在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，制造出來(lái)的參數(shù)存在的公差范圍一定要在SI分析解空間的范圍之中；七是對(duì)已經(jīng)制造出來(lái)的PCB，要用儀器進(jìn)行再一次的檢測(cè)和調(diào)試，不僅驗(yàn)證SI模型的正確性，還要驗(yàn)證SI分析的正確性，還作為模型進(jìn)行修正的主要依據(jù)。

在SI模型正確方法基礎(chǔ)上以及SI分析方法正確的基礎(chǔ)上，對(duì)PCB板設(shè)計(jì)進(jìn)行較少的修改或者不用修改的前提下，就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行最終的定稿，這樣不僅可以對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期進(jìn)行了一定的縮短，還在一定程度上對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本進(jìn)行了相應(yīng)的降低。

3總結(jié)

在對(duì)PCB板設(shè)計(jì)的過(guò)程中和設(shè)計(jì)完成后，都要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和檢測(cè)，進(jìn)一步保證SI模型的正確性和SI分析的正確性，在一定程度上促進(jìn)了高速數(shù)字PCB板的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，不僅對(duì)產(chǎn)品的性能在一定程度上得到了提高，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期也得到了相應(yīng)的縮短，對(duì)成品成本的開(kāi)發(fā)起到了降低的作用。SI分析模型以及SI計(jì)算和分析算法在以后會(huì)得到不斷的完善和提高，SI進(jìn)行分析的PCB設(shè)計(jì)相關(guān)的方式，在以后的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將會(huì)得到比較廣泛的應(yīng)用。

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