高速PCB电路板的信号完整性设计

摘要: 描述了高速PCB电路板信号完整性设计方法. 介绍了信号完整性基本理论, 重点讨论了如何采用高速PCB设计方法保证高速数采模块的信号完整性,

关键词:信号完整性; PCB设计;

集成电路芯片构成的电子系统朝着大规模、小体积、高速度方向发展, 信号的工作频率也不断提高, 使得PCB的布局布线密度变大, 输出开关速度过高, 引起信号延迟、时序问题及串扰、传输线效应等信号完整性问题, 从而导致系统工作不稳定, 甚至完全不工作. 因此, 如何在系统设计以及板极设计中考虑到信号完整性的因素, 并采取有效的控制措施, 成为一个设计成功的关键因素 . 文中在对信号完整性设计的基本理论做出一个完整的阐述。

1信号完整性基本理论

1. 1 信号完整性定义

信号完整性( S igna l Integrity, S I)是指在信号线上的信号质量, 是信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应的能力. 当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC 时, 该电路就有很好的信号完整性。

1. 2影响信号完整性的主要因素

引起信号完整性问题的因素很多, 主要因素有延迟、反射、串扰、地弹以及电磁干扰. 信号时延主要表现为信号在逻辑电平的高、低门限之间变化时, 保持一段时间信号不跳变. 过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱. 信号延时的原因包括驱动过载和走线过长. 传输时延与信号线的长度、信号传输速度。

反射, 即为传输线上的回波. 反射信号产生的主要原因是过长的走线、未被匹配终端的传输线、过量电容或电感及阻抗失配. 当一根信号线上有信号通过时, 在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号, 这种现象称之为串扰. 信号线距离地线越近, 线间距越大, 产生的串扰信号越小. 地弹是指当电路中有大的电流涌动时产生的地平面反弹噪声. 电磁干扰包括产生过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两个方面. EM I产生的主要原因是电路工作频率太高及布局、布线不合理.

2高速数据采集系统

高速数据采集系统原理框图如图1所示, 此高速数据采集系统体积小巧轻便,致使电路板布局布线密度高; 系统时钟运行频率为100MH z以上, ADC 芯片转换率在125MH z左右, 属于高速系统; 同时系统工作还需多种电源供电, 因此对其分析必须全面考虑信号完整性

图1数据采集系统原理框图

F ig. 1The schem atics b lock d iagram

o f data acquisition system

3 信号完整性设计

3. 1电路板叠层设计

高速电路由于集成度高、芯片密度大以及布线紧凑的原因, 一般采用多层板来降低板中的相应干扰. 叠层设计要考虑器件密度、总线的布线密度、电路功能以及电磁兼容等多方面因素. 合理的叠层设计是对大多数信号完整性问题和EMC问题的最好防范措施.

综合考虑多方面因素, 系统电路板采用4层叠层设计, 分别为顶层元件为信号层,第2层为信号地层, 第3层为电源层, 底层为元件及信号层. 这种设计具有如下特点: 电源层和地层紧密耦合, 形成大电容!补充地弹效应中需要的电荷; 信号层紧靠大面积铜箔, 为信号提供优良回路, 减小反射与天线效应; 中间层地平面和电源平面, 能有效降低电源阻抗与地阻抗, 减小传导干扰.

3. 2电路板布局设计

布局设计是设计PCB电路板中的至关重要的环节, 良好的布局能使电子电路获得最佳性能, 能有效减少信号完整性问题. 布局过程中, 要结合结构设计的尺寸要求和器件的布线要求, 依次合理规划出主要器件的位置 . 对于图1所示的数据采集系统而言, 需以FPGA为中心构建高速互连网络. 在主要芯片确定位置后, 根据电路的功能单元, 对电路的全部元器件进行布局. 对电路的全部器件布局时, PCB电路板设计应遵循以下原则:

1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置, 使布局便于信号流通, 并使信号尽可能保持一致的方向;

2)尽可能缩短高频元器件之间的连线, 设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰;

3)电源要避开高速信号线以防止电源干扰;

4)模拟电路与数字电路分开设计, 减小信号间干扰;

5)匹配电阻靠近器件输出或输入管脚, 减小传输线过冲!与欠压!问题;

6)在高频下工作的电路, 要考虑元器件之间的分布参数. 应尽可能使元器件平行排列. 这样, 不仅布局美观, 而且装焊容易, 易于批量生产.

3. 3电路板布线设计

印刷电路的成本与层数、基板的表面积成正比, 在不影响系统功能、稳定性等前提下, 应尽可能地用最少层数满足实际设计需要, 从而致使布线密度不可避免地增大, 走线宽度越来越小. 走线宽度越细, 间隔越小, 信号间串扰就越大, 其能传送功率越小. 因此, 走线尺寸的选择必须考虑到各方面的因素. 在设计图1所示的数据采集系统电路板时布线设计遵循以下原则:

1)应尽可能地减少高速电路器件管脚间引线的弯折, 采用45∀折线, 减少高频信号对外的反射和相互间

的耦合.

2)尽可能地缩短高频电路器件管脚间的引线以及管脚间引线的层间交替.

3)高频数字信号走线应尽可能远离模拟电路和控制电路.

同时, 在设计图1所示的数据采集系统电路板时, 考虑到实际情况, 为了保证高速下的精确性, 其模拟输

入与时钟为差分形式. 因为差分信号幅度相等且方向相等, 所以两条信号线产生的磁场彼此互相抵消, 因此

能有效降低EM I[ 3]. 差分线的间距往往会导致差分阻抗的变化, 差分阻抗的不一致将严重影响信号完整性及

时延. 为此, 实际差分布线应遵循以下原则[ 4] :

1)差分信号的两条信号线相互间长度差必须控制在信号上升沿时间的电气长度的20%以内;

2)差分走线必须满足背靠背原则, 且在同一布线层内;

3)差分布线的线间距至少大于等于1 倍以上线宽; 而差分走线与其他信号线间间距应大于三倍的线宽.

综合上述因素, 在后续仿真分析时, 对于ADC 的输入差分线宽设为8mil 差分线间距设为8m il 差分线长度差设为30m il系统中, 电源、地线的布线也同样至关重要, 如设计不合理容易引起干扰, 致使产品性能下降. 在对电源及地线布线时, 应尽量把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度, 以保证产品的质量. 实际设计时, 对电

源、地线的处理遵循以下原则:

1)电源、地线间加退耦电容; 适当加宽电源、地线的宽度. 使地线、电源线、以及信号线之间的关系满足:地线宽度> 电源线宽度> 信号线宽度;

2)对数字电路采用较宽的地导线以构成回路, 作为地网来使用;

3)采用大面积铺铜方式处理顶层、底层, 用以增强抗噪能力.

总结：信号完整性设计贯穿于高速PCB 设计全过程, 为保证良好的信号完整性, 高速PCB设计要遵循设计原则. 本文从叠层规划、布局设计及布线要求等方面总结了信号完整性设计的一般方法. 为进行仿真设计提供良好的理论基础。

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