PCB設(shè)計(jì)中阻抗匹配的信號改善方法

趙 號 鄧?yán)趧?呂圣澤

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710600）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）是互連電子元器件系統(tǒng)的物理載體，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到最終生產(chǎn)出來的電子產(chǎn)品能否正常工作。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新科技都依賴高速數(shù)據(jù)的傳輸來實(shí)現(xiàn)，傳輸信號的頻率也從兆赫茲（MHz）突破到吉赫茲（GHz），甚至到太赫茲（THz）［1］。高頻電路的廣泛應(yīng)用，使PCB 設(shè)計(jì)中越來越重視信號的傳輸質(zhì)量。在PCB 高速信號傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，信號在傳輸過程中發(fā)生反射是不可忽視的現(xiàn)象，分析信號反射對信號完整性的影響是有研究意義和工程應(yīng)用價值的。

高速信號的普及應(yīng)用帶來極大的技術(shù)優(yōu)勢，同時也給高速電路帶來了信號失真、不能正常工作的風(fēng)險(xiǎn)，增加了PCB 設(shè)計(jì)的難度［2］。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）技術(shù)的不斷發(fā)展，PCB 設(shè)計(jì)工程師開始使用Hyper lynx 仿真軟件分析PCB 設(shè)計(jì)中傳輸路徑上高速信號的質(zhì)量。通過仿真軟件分析可以發(fā)現(xiàn)，傳輸線阻抗是否匹配明顯影響高速信號的傳輸質(zhì)量。

本文基于傳輸線理論闡述了傳輸線的反射和阻抗匹配原理，采用Hyper lynx 仿真軟件分析了5 種阻抗匹配設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并提出了PCB 設(shè)計(jì)中改善高速信號質(zhì)量的方法。

1 信號完整性和傳輸線理論

1.1 信號完整性

信號完整性是指要保證在一個高速電路系統(tǒng)中，高速信號從源端傳出后，無失真地在傳輸線路上傳導(dǎo)，最終到達(dá)目的端，目的端接收到高速信號能保證下級系統(tǒng)正常工作并輸出正確的結(jié)果［3-4］。如果一個高速電路能使電路中所傳輸?shù)拿恳粋€高速信號都保持不失真，則該高速電路便是一個具備較好信號完整性的高速電路系統(tǒng)。在實(shí)際的高速、高頻PCB 中，高頻傳輸線路不僅會呈現(xiàn)出電阻特性，同時也會呈現(xiàn)出它的電容性和電感性，并且在不同頻率下它的容性電路和感性電路值也不相同。

1.2 傳輸線理論

傳輸線理論在研究信號完整性理論方面得到了廣泛應(yīng)用，該理論將基本電路分析理論和電磁場分析理論聯(lián)系了起來。由于PCB 上傳輸線的物理尺寸可能是電波長的若干倍或是波長的幾分之一，所以傳輸線可以等效為一個具有分布參數(shù)的電路網(wǎng)絡(luò)［5-6］。傳輸線結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用雙線描述傳輸線結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾盘柕膫鬏斅窂绞且粋€包括發(fā)射路徑和返回路徑的完整回路。圖1 中，采用微分的思想取傳輸線上非常小的一段導(dǎo)體Δz進(jìn)行理論分析，這段導(dǎo)體可以等效為集總元件電路系統(tǒng)進(jìn)行研究，集總元件電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。長度有限制的傳輸線可以看作是由多個集總元件電路級聯(lián)耦合的電路系統(tǒng)。

圖1 傳輸線結(jié)構(gòu)

圖2 集總元件電路

傳輸線工作中，傳輸?shù)男盘柌梢詣澐譃榛旌喜ā⑿胁ê婉v波3 種。傳輸線工作在行波狀態(tài)下時，傳輸線上只有入射波，不存在反射波，此時傳輸線上每點(diǎn)的阻抗一致，整個傳輸路徑上阻抗非常均勻，傳輸線能完整地傳導(dǎo)信號。傳輸線工作在駐波狀態(tài)下時，傳輸線上入射信號和反射信號共存且入射波和反射波幅值相同，傳輸信號在傳輸線上進(jìn)行簡諧振動，傳輸線不能進(jìn)行有效的信號傳導(dǎo)，失去了傳輸特性。傳輸線工作在混合波狀態(tài)下時，傳輸線上入射信號和反射信號共存但傳輸線具備信號傳輸性能，信號的傳輸質(zhì)量會變差。在實(shí)際工程中，傳輸線大多數(shù)情況下是處在混合波的工作狀態(tài)，為了使傳輸線有更好的傳輸性能，應(yīng)盡可能地減少反射波的產(chǎn)生。

當(dāng)反射信號不會出現(xiàn)，也就是當(dāng)負(fù)載阻抗ZL與傳輸線特征阻抗Z0相等時，傳輸線達(dá)到行波的工作狀態(tài)，完整傳輸信號，此時傳輸線達(dá)到阻抗匹配。顯然，當(dāng)傳輸線達(dá)到阻抗匹配時，傳輸線處在行波的工作狀態(tài)，傳輸?shù)母咚傩盘柌皇д?，信號質(zhì)量最優(yōu)。

2 傳輸線的信號完整性分析

2.1 傳輸線反射

高速信號在傳輸線上傳導(dǎo)時，若傳輸線的瞬時阻抗不一致，信號便不會完全向前傳導(dǎo)，信號的部分能量會從阻抗變化處反射，而信號的其余部分繼續(xù)向前傳輸，最終傳輸?shù)侥康亩说男盘柍霈F(xiàn)失真［7-8］。信號發(fā)生反射后，失真信號波形如圖3 所示，因?yàn)橥干洳ê头瓷洳ǖ寞B加，失真信號出現(xiàn)了過沖、欠沖和振鈴的現(xiàn)象，信號傳輸質(zhì)量下降。

圖3 失真信號波形

由傳輸線理論的分析可知，當(dāng)傳輸線上阻抗不相同時會引起信號發(fā)生反射，信號在傳輸線上發(fā)生反射的示意圖如圖4 所示。若傳輸線A 與傳輸線B 的特征阻抗Z1和Z2不同，傳輸線A 與傳輸線B 連接處必然發(fā)生阻抗突變，使信號發(fā)生反射，降低信號傳輸質(zhì)量。

圖4 傳輸線信號反射示意

2.2 阻抗匹配

當(dāng)傳輸線上的阻抗不一致時，高速信號會發(fā)生反射，出現(xiàn)信號過沖、欠沖和振鈴等現(xiàn)象。由傳輸線理論可知，當(dāng)負(fù)載阻抗和傳輸線特征阻抗相同時，反射系數(shù)便為零，使信號反射消失。完善電路結(jié)構(gòu)，使信號傳輸路徑上的阻抗一致，便稱為阻抗匹配［9-11］。常用的端接匹配方法有串聯(lián)端接、并聯(lián)端接到地、并聯(lián)端接到高電平、戴維南端接和AC 端接，各端接方法如圖5 所示。5 種端接匹配方式的特點(diǎn)總結(jié)見表1。

表1 5種端接方法的特點(diǎn)

圖5 5種端接方法

3 PCB設(shè)計(jì)中信號質(zhì)量仿真分析

3.1 控制板卡仿真模型

PCB 從原理圖出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，首先就是進(jìn)行PCB 上元器件的布局設(shè)計(jì)，好的布局不僅有利于PCB 的布線設(shè)計(jì)，而且也可以保證電子產(chǎn)品的可制造性、可維修性和可靠性。分析梳理出電路系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是進(jìn)行布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文研究的控制板卡的電路系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示，研究對象是現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）之間傳輸?shù)母咚賳味诵盘柕男盘栙|(zhì)量，影響因素設(shè)置為傳輸線有無串聯(lián)匹配電阻、源端串聯(lián)匹配電阻、中端串聯(lián)匹配電阻、末端串聯(lián)匹配電阻。結(jié)合工程實(shí)際，建立的電路有無串聯(lián)匹配電阻的仿真模型如圖7所示，建立的源端串聯(lián)匹配電阻、中端串聯(lián)匹配電阻和末端串聯(lián)匹配電阻的仿真模型如圖8 所示。建立正確的仿真模型，為后續(xù)仿真分析打下了基礎(chǔ)。

圖6 控制板卡電路系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖7 傳輸線仿真模型

圖8 串聯(lián)匹配電阻仿真模型

3.2 信號質(zhì)量仿真分析

建立正確的電路仿真模型后，對不同模型的信號質(zhì)量進(jìn)行Hyper lynx 仿真軟件分析對比。仿真模型設(shè)置了3.3 V、33 MHz 的TTL 信號為激勵信號，對FPGA 到DSP 之間一條177.8 mm（7 000 mil）傳輸線的33 Ω匹配電阻的目的端接收到的信號質(zhì)量、源端串聯(lián)匹配電阻與中端串聯(lián)匹配電阻的目的端接收的信號質(zhì)量、中端串聯(lián)匹配電阻與末端串聯(lián)匹配電阻的目的端接收的信號質(zhì)量、源端串聯(lián)匹配電阻與末端串聯(lián)匹配電阻的目的端接收的信號質(zhì)量對比分析，4組對比仿真分析圖如圖9～圖12所示。

圖9 有無匹配電阻仿真波形對比

觀察仿真結(jié)果，由圖9 可知，進(jìn)行了阻抗匹配的傳輸線比沒有阻抗匹配的傳輸線，傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量更好。由圖10 可知，進(jìn)行阻抗匹配的長傳輸線上，源端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線比中端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線，傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量更好。由圖11 可知，中端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線比末端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線，傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量更好。由圖12 可知，源端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線比末端串聯(lián)匹配電阻的傳輸線，傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量更好。

圖10 源端、中端串聯(lián)匹配電阻仿真波形對比

圖12 源端、末端串聯(lián)匹配電阻仿真波形對比

綜上所述，PCB 設(shè)計(jì)中，對電路系統(tǒng)中傳輸高速信號的傳輸線進(jìn)行阻抗匹配是改善信號質(zhì)量的重要方法。如果采用的是串聯(lián)電阻的阻抗匹配方式，將匹配電阻放置在靠近源端是最佳的布局方式，傳輸出的信號質(zhì)量最好。

4 結(jié)語

根據(jù)傳輸線理論分析可知，傳輸線有3 種工作狀態(tài)，分別為行波、駐波和混合波。要使傳輸線傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量最好，就要使傳輸線工作在行波狀態(tài)下，此時負(fù)載阻抗和傳輸線特征阻抗相等，稱為阻抗匹配。

通過Hyper lynx 仿真軟件分析可知，傳輸高速信號的電路系統(tǒng)要進(jìn)行阻抗匹配，盡量使用代價較小的串聯(lián)電阻匹配方式，匹配電阻的布局位置要盡可能地靠近信號發(fā)射源端，這樣能保證傳輸?shù)侥康亩说母咚傩盘栙|(zhì)量最好。