隨著集成電路輸出開(kāi)關(guān)速度提高以及PCB板密度增加，信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問(wèn)題之一。元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等因素，都會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不工作。如何在PCB板的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到信號(hào)完整性的因素，并采取有效的控制措施，已經(jīng)成為當(dāng)今PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中的一個(gè)熱門課題?；谛盘?hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法能有效地實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。1. 信號(hào)完整性問(wèn)題概述信號(hào)完整性(SI)是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問(wèn)題。從廣義上講，信號(hào)完整性問(wèn)題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMI)。延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。另外，當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號(hào)的過(guò)沖和下沖。信號(hào)如果在傳輸線上來(lái)回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

(一) 畫好原理圖很多工程師都覺(jué)得layout工作更重要一些，原理圖就是為了生成網(wǎng)表方便PCB做檢查用的。其實(shí)，在后續(xù)電路調(diào)試過(guò)程中原理圖的作用會(huì)更大一些。無(wú)論是查找問(wèn)題還是和同事交流，還是原理圖更直觀更方便。另外養(yǎng)成在原理圖中做標(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時(shí)候要注意到的問(wèn)題標(biāo)注在原理圖上，對(duì)自己或者對(duì)別人都是一個(gè)很好的提醒。層次化原理圖，把不同功能不同模塊的電路分成不同的頁(yè)，這樣無(wú)論是讀圖還是以后重復(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計(jì)總是要比設(shè)計(jì)新電路的風(fēng)險(xiǎn)小。每次看到把所有電路都放在一張圖紙上，一片密密麻麻的器件，腦袋就能大一圈。(二) 好好進(jìn)行電路布局心急的工程師畫完原理圖，把網(wǎng)表導(dǎo)入PCB后就迫不及待的把器件放好，開(kāi)始拉線。其實(shí)一個(gè)好的PCB布局能讓你后面的拉線工作變得簡(jiǎn)單，讓你的PCB工作的更好。每一塊板子都會(huì)有一個(gè)信號(hào)路徑，PCB布局也應(yīng)該盡量遵循這個(gè)信號(hào)路徑，讓信號(hào)在板子上可以順暢的傳輸，人們都不喜歡走迷宮，信號(hào)也一樣。如果原理圖是按照模塊設(shè)計(jì)的，PCB也一樣可以。按照不同的功能模塊可以把板子劃分為若干區(qū)域。模擬數(shù)字分開(kāi)，電源信號(hào)分開(kāi)，發(fā)熱器件和易感器件分開(kāi)，體積較大的器件不要太靠近板邊，注意射頻信號(hào)的屏蔽等等……多花一分的時(shí)間去優(yōu)化PCB的布局，就能在拉線的時(shí)候節(jié)省更多的時(shí)間。

天津開(kāi)發(fā)FPC柔性版【第Y招】多層板布線高頻電路往往集成度較高，布線密度大，采用多層板既是布線所必須，也是降低干擾的有效手段。開(kāi)發(fā)FPC柔性版在PCB Layout階段，合理的選擇一定層數(shù)的印制板尺寸，能充分利用中間層來(lái)設(shè)置屏蔽，更好地實(shí)現(xiàn)就近接地，并有效地降低寄生電感和縮短信號(hào)的傳輸長(zhǎng)度，同時(shí)還能大幅度地降低信號(hào)的交叉干擾等，所有這些方法都對(duì)高頻電路的可靠性有利。有資料顯示，同種材料時(shí)，四層板要比雙面板的噪聲低20dB。但是，同時(shí)也存在一個(gè)問(wèn)題，PCB半層數(shù)越高，制造工藝越復(fù)雜，單位成本也就越高，這就要求我們?cè)谶M(jìn)行PCB Layout時(shí)，除了選擇合適的層數(shù)的PCB板，還需要進(jìn)行合理的元器件布局規(guī)劃，并采用正確的布線規(guī)則來(lái)完成設(shè)計(jì)?！　　镜诙小扛咚匐娮悠骷苣_間的引線彎折越少越好　　高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折，可用45度折線或者圓弧轉(zhuǎn)折，這種要求在低頻電路中僅僅用于提高銅箔的固著強(qiáng)度，而在高頻電路中，滿足這一要求卻可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互間的耦合。　　【第三招】高頻電路器件管腳間的引線越短越好　　信號(hào)的輻射強(qiáng)度是和信號(hào)線的走線長(zhǎng)度成正比的，高頻的信號(hào)引線越長(zhǎng)，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以對(duì)于諸如信號(hào)的時(shí)鐘、晶振、DDR的數(shù)據(jù)、LVDS線、USB線、HDMI線等高頻信號(hào)線都是要求盡可能的走線越短越好?！　　镜谒恼小扛哳l電路器件管腳間的引線層間交替越少越好　　所謂“引線的層間交替越少越好”是指元件連接過(guò)程中所用的過(guò)孔(Via)越少越好。據(jù)側(cè)，一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0.5pF的分布電容，減少過(guò)孔數(shù)能顯著提高速度和減少數(shù)據(jù)出錯(cuò)的可能性。

隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡(jiǎn)稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問(wèn)題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問(wèn)題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。二、電源噪聲的起因及分析對(duì)于電源噪聲的起因我們通過(guò)一個(gè)與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過(guò)“1”和“0”電平的切換來(lái)工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來(lái)越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動(dòng)。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動(dòng)，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對(duì)于上升沿來(lái)說(shuō)要小。從對(duì)與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過(guò)大;

解決EMI問(wèn)題的辦法很多，現(xiàn)代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計(jì)等。本文從最基本的PCB布板出發(fā)，討論P(yáng)CB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來(lái)得更快。然而，問(wèn)題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問(wèn)題?就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EMI。當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來(lái)越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上，這要另外討論。為了控制共模EMI，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。有人可能會(huì)問(wèn)，好到什么程度才算好?問(wèn)題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。