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當(dāng)今使用的許多PCB布局和布線指南，即使是針對(duì)中等速度的信號(hào)和設(shè)備，也是為了確保信號(hào)完整性。如果您是PCB設(shè)計(jì)的新手，而且您從未遇到過(guò)信號(hào)完整性問題，那么在設(shè)計(jì)中確保信號(hào)完整性的概念可能顯得很深?yuàn)W?，F(xiàn)代PCB可能會(huì)遇到許多問題，這些問題可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的布局實(shí)踐來(lái)解決或預(yù)防。信號(hào)完整性實(shí)踐的重點(diǎn)是識(shí)別和修復(fù)PCB布局布線中的這些問題，從而使數(shù)字或模擬信號(hào)在傳播過(guò)程中不會(huì)失真，并且能夠在互連的過(guò)程中得到恢復(fù)。
在本指南中，我們將簡(jiǎn)要概述PCB布局布線中可能出現(xiàn)的一些信號(hào)完整性問題，以及一些有助于解決這些問題的基本解決方案。在設(shè)計(jì)階段的早期實(shí)施部分基本實(shí)踐，要確保電路板布線后的信號(hào)完整性就會(huì)容易得多。
信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)
從最簡(jiǎn)單的意義上講，將信號(hào)完整性實(shí)踐實(shí)施到PCB布局和布線中的目的是確保信號(hào)在從驅(qū)動(dòng)器元件傳輸?shù)浇邮掌鲿r(shí)不會(huì)降級(jí)。換句話說(shuō)，我們要確保出現(xiàn)在互連末端的信號(hào)與互連開始時(shí)注入的信號(hào)匹配。雖然信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)真正經(jīng)歷無(wú)失真，但一些基本實(shí)踐可以幫助盡可能地減少任何潛在的信號(hào)失真，以便接收器元件始終記錄正確的信號(hào)。
某些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)踐有助于確保這一點(diǎn)，這些實(shí)踐始于原理圖輸入和層堆棧設(shè)計(jì)。事實(shí)上，許多信號(hào)完整性、電源完整性和EMI/EMC問題都可以通過(guò)適當(dāng)?shù)寞B層設(shè)計(jì)和電源、接地和布線的層分配來(lái)解決。其他簡(jiǎn)單的解決方案包括適當(dāng)?shù)碾娙萜鬟x擇、阻抗計(jì)算以及了解單端走線與差分走線的限制。
什么時(shí)候應(yīng)該擔(dān)心信號(hào)完整性？
從技術(shù)上講，任何設(shè)計(jì)都會(huì)有一些信號(hào)完整性問題，但它們一般不會(huì)干擾產(chǎn)品的功能或產(chǎn)生過(guò)多的噪聲，除非您處理高速數(shù)字信號(hào)或高頻模擬設(shè)計(jì)。在這些情況下，需要考慮多個(gè)問題：
- 精確的阻抗計(jì)算，防止信號(hào)反射
- 長(zhǎng)距離互連傳播過(guò)程中的損耗和色散
- 快速切換數(shù)字信號(hào)引起的串?dāng)_音
- 輻射損失過(guò)大，在EMC測(cè)試中可能表現(xiàn)為強(qiáng)烈噪音
- 由于電感過(guò)大（接地反彈），數(shù)字信號(hào)中的過(guò)沖和下沖
- 通過(guò)寄生效應(yīng)耦合高頻信號(hào)
- 光纖編織導(dǎo)致的偏斜和諧振信號(hào)損失
- 隨機(jī)邊緣過(guò)渡波動(dòng)或SI/PI/EMI問題造成的抖動(dòng)
- 沿互連長(zhǎng)度的銅粗糙度造成的額外損耗
在高頻下工作或在高速數(shù)字電路板中使用更快的開關(guān)速度運(yùn)行時(shí)，這些問題更難解決。但是，為確保設(shè)計(jì)不會(huì)因這些問題而失敗，可以實(shí)施一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)步驟來(lái)確保信號(hào)完整性。
從疊層開始
確保信號(hào)完整性的一個(gè)主要部分是明確定義接地并在布線期間將接地保持在重要走線附近。正確設(shè)計(jì)的疊層、電源和接地層的選擇以及信號(hào)層的指定將有助于解決大多數(shù)EMI和信號(hào)完整性問題。如果疊層設(shè)計(jì)得當(dāng)，還會(huì)對(duì)電源完整性產(chǎn)生重要而有益的影響。
下圖所示為涉及交替信號(hào)、電源和接地層的典型布置示例。在本例中，該設(shè)計(jì)使用與信號(hào)層相鄰的接地層來(lái)提供屏蔽、低阻抗返回路徑以及定義受控阻抗線（帶狀線或微帶線）的能力。提供具備明確定義的跡線阻抗的低阻抗返回路徑以及近地信號(hào)有助于防止反射，減少EMI的輻射和接收，并提供對(duì)不同層上信號(hào)的屏蔽。
將信號(hào)層與GND相鄰放置可實(shí)現(xiàn)受控的阻抗走線設(shè)計(jì)和布線，以支持高速和高頻信號(hào)。內(nèi)層可添加更多交替Sig/GND對(duì)，以支持更多高速和高頻運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)
眾所周知，微帶線、帶狀線或共面布置的層厚會(huì)影響數(shù)字或模擬信號(hào)的損耗。明智地選擇需要支持高速/高頻信號(hào)的信號(hào)層中的電介質(zhì)厚度可以解決上述損耗的一個(gè)方面。此外，為外露走線選擇合適的材料和電鍍材料可以降低高頻損耗，例如在需要精確信號(hào)完整性的毫米波設(shè)計(jì)中。總之，這些步驟有助于確保信號(hào)在路由到互連末端時(shí)經(jīng)歷低損耗。
阻抗和布線的重要性
確定疊層并放置重要元件后，通過(guò)布線走線完成布局布線。數(shù)字接口和高頻仿真信號(hào)中使用的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定應(yīng)遵守的阻抗要求，以確保信號(hào)的完整性并防止高速通道中出現(xiàn)問題。在布線過(guò)程中，需要特別注意PCB上走線的一些重要幾何特性：
- 單端和差分阻抗
- 差分對(duì)的一致間距和長(zhǎng)度匹配公差
- 使用接地過(guò)孔和均勻平面，確保整個(gè)布線的返回路徑狹小
- 盡可能減少高頻下的過(guò)孔過(guò)渡和過(guò)多彎曲（10 GHz）
- 在最高速度/頻率布線上移除過(guò)孔短截線
前兩點(diǎn)的設(shè)計(jì)是為了確保布線上阻抗不偏離相關(guān)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)計(jì)值。第三點(diǎn)確保高速/高頻信號(hào)產(chǎn)生的返回電流具有低電感，以解決EMI和噪聲耦合。最后兩點(diǎn)解決了消除布線上任何阻抗不連續(xù)處的損耗和反射的需求。連接器和過(guò)孔等元件的輸入阻抗可能會(huì)偏離所需的阻抗值，因此使用設(shè)計(jì)規(guī)則以幫助確保在設(shè)計(jì)中滿足這些目標(biāo)。
以布線限制為例，應(yīng)在差分對(duì)中強(qiáng)制執(zhí)行長(zhǎng)度匹配，以確保在設(shè)計(jì)中盡可能抑制共模噪聲
PCB設(shè)計(jì)軟件中的布線工具可以接受您的布線要求并將其編碼為設(shè)計(jì)規(guī)則，以幫助確保滿足阻抗、間距、過(guò)孔數(shù)和返回路徑目標(biāo)。應(yīng)用背鉆代表了對(duì)信號(hào)完整性的成本權(quán)衡，因此應(yīng)該只有在無(wú)法實(shí)施某些替代布線方案以消除背鉆需要的情況下，僅應(yīng)用于最快的數(shù)字信號(hào)。總之，這些措施可以解決反射引起的問題，例如眼圖中的符號(hào)間干擾和不匹配傳輸線上的駐波。
識(shí)別信號(hào)完整性問題
信號(hào)完整性問題需要在仿真或測(cè)量中識(shí)別。理想情況下，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中執(zhí)行仿真，以幫助在創(chuàng)建原型之前識(shí)別任何信號(hào)完整性問題。一種常見的實(shí)踐是為設(shè)計(jì)創(chuàng)建測(cè)試板，以便在將設(shè)計(jì)投入大批量生產(chǎn)之前執(zhí)行測(cè)量。無(wú)論您計(jì)劃如何識(shí)別信號(hào)完整性問題，都應(yīng)該在將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到大批量生產(chǎn)之前完成這些任務(wù)。
布線期間的仿真
在設(shè)計(jì)階段，一些更先進(jìn)的ECAD軟件包可以用于在一些簡(jiǎn)單的仿真中識(shí)別信號(hào)完整性問題。可以一起執(zhí)行的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仿真是串?dāng)_波形計(jì)算和振鈴/反射波形。兩種仿真都需要為PCB布局布線中的驅(qū)動(dòng)元件定義邏輯系列，您可以在數(shù)據(jù)表中找到。這些仿真非常清楚地顯示了互連之間的端接和間距的有效性，請(qǐng)參閱下文的互連瞬態(tài)響應(yīng)。
串?dāng)_波形計(jì)算和反射波形計(jì)算可以在創(chuàng)建設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行，以確保互連性能符合所需標(biāo)準(zhǔn)
在布線過(guò)程中需要檢查的其他要點(diǎn)包括：
- 過(guò)沖和下沖
- 切換期間的上升時(shí)間/下降時(shí)間
- 并行總線和差分對(duì)中的偏差
- 返回路徑連續(xù)性
可以使用針對(duì)PCB設(shè)計(jì)的高級(jí)ECAD軟件包中的在線仿真工具檢查這些點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成布線后，應(yīng)用內(nèi)仿真工具可以計(jì)算這些點(diǎn)，以確保每個(gè)互連上的信號(hào)都在噪聲容限內(nèi)，并在接收元件處觀察到具備所需的響應(yīng)。通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程中及早識(shí)別這些問題，可以盡早解決許多信號(hào)完整性問題，理想情況下還可以消除復(fù)雜且耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)。
信號(hào)完整性測(cè)試
盡管可以執(zhí)行多項(xiàng)測(cè)試來(lái)評(píng)估信號(hào)完整性，但對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)而言最重要的兩項(xiàng)測(cè)試是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行的S參數(shù)測(cè)量，以及使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試比特流進(jìn)行的眼圖測(cè)試。S參數(shù)測(cè)量的時(shí)域?qū)?yīng)的是時(shí)域反射計(jì)測(cè)量，它需要特殊儀器為互連或受測(cè)設(shè)備提供脈沖。雖然眼圖和誤碼率計(jì)算通常使用示波器執(zhí)行，但某些VNA可以生成眼圖。
眼圖（左）和S參數(shù)（右）
眼圖測(cè)量和提取的誤碼率對(duì)于評(píng)估數(shù)字通道至關(guān)重要。它們提供一種總合測(cè)量，可以量化抖動(dòng)、信號(hào)反射引起的ISI、損耗以及通過(guò)均衡進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰??？梢詮倪@些測(cè)量中識(shí)別設(shè)計(jì)的一些簡(jiǎn)單變化，并且可以將提取的信號(hào)完整性指標(biāo)與其他仿真或計(jì)算進(jìn)行比較。
S參數(shù)，以及其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的仿真或測(cè)量，都是在頻域中進(jìn)行的。它們?cè)试S在最大可能的數(shù)據(jù)速率、傳輸頻率、損耗或由于阻抗不匹配引起的反射方面認(rèn)證設(shè)計(jì)。對(duì)于長(zhǎng)互連，更重要的量是S21或插入損耗，因?yàn)檫@些通道主要由電介質(zhì)、銅和輻射損耗決定。在短通道中，更重要的量是S11或回波損耗，因?yàn)樵诙痰街械乳L(zhǎng)度的通道中可能存在強(qiáng)烈的反射和共振。
針對(duì)SI、PI和EMI/EMC進(jìn)行更復(fù)雜的仿真
一旦布局布線完成，并準(zhǔn)備就緒，就應(yīng)該首先通過(guò)更高級(jí)的仿真工具執(zhí)行設(shè)計(jì)，該工具可以查看整個(gè)系統(tǒng)，而非只查看單個(gè)互連。這些仿真包從已完成的PCB布局布線中獲取數(shù)據(jù)，并直接根據(jù)麥克斯韋方程計(jì)算電磁場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械文件格式（IDX）和專業(yè)仿真數(shù)據(jù)文件格式可用于將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入外部仿真程序，從而在原型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之前識(shí)別EMI/EMC、PI和系統(tǒng)級(jí)SI問題。
當(dāng)您使用Altium Designer?的全套PCB布局工具集時(shí)，PCB布線會(huì)更加輕松。Altium Designer中的集成設(shè)計(jì)規(guī)則引擎會(huì)在您放置走線時(shí)自動(dòng)檢查您的布線，讓您在完成電路板之前發(fā)現(xiàn)并解決錯(cuò)誤。每位Altium Designer用戶均可訪問Altium 365?中的專屬工作空間，項(xiàng)目、元件數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)和其他任何項(xiàng)目文件均可存放在此，并與合作者共享。
（文章來(lái)源公眾號(hào)：Altium）
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