基于信号完整性分析的高速数字PCB的设计方法

本文介绍了一种基于信号完整性计算机分析的高速数字信号PCB板的设计方法。在这种设计方法中，首先将对所有的高速数字信号建立起PCB板级的信号传输模型，然后通过对信号完整性的计算分析来寻找设计的解空间，最后在解空间的基础上来完成PCB板的设计和校验。

　　随着集成电路输出开关速度提高以及PCB板密度增加，信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作。

　　如何在PCB板的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已经成为当今PCB设计业界中的一个热门课题。基于信号完整性计算机分析的高速数字PCB板设计方法能有效地实现PCB设计的信号完整性。

1. 信号完整性问题概述

　　信号完整性(SI)是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声(SSN)和电磁兼容性(EMI)。

　　延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

　　另外，当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。

　　由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutual capacitance)和互感，当一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导线，即串扰。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。

　　当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。SSN和地弹的强度也取决于集成电路的IO特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。

　　另外，同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题，其产生也主要与PCB板的布局和布线方式有关。

2. 传统的PCB板设计方法

　　在传统的设计流程中，PCB的设计依次由电路设计、版图设计、PCB制作、测量调试等步骤组成。在电路设计阶段，由于缺乏有效的对信号在实际PCB板上的传输特性的分析方法和手段，电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器件的参数等因素的正确选择。

　　在PCB版图设计阶段，同样因为很难对PCB板的元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化作出实时分析和评估，所以版图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。在PCB板制作阶段，由于各PCB板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以PCB板和元器件的参数一般都有较大的公差范围，使得PCB板的性能更加难以控制。

　　在传统的PCB设计流程中，PCB板的性能只有在制作完成后才能够通过仪器测量来评判。在PCB板调试阶段中发现的问题，必须等到下一次PCB板设计中加以修改。但更为困难的是，有些问题往往很难将其量化成前面电路设计和版图设计中的参数，所以对于较为复杂的PCB板，一般都需要通过反复多次上述的过程才能最终满足设计要求。

　　可以看出，采用传统的PCB设计方法，产品开发周期较长，研制开发的成本也相应较高。

3. 基于信号完整性分析的PCB设计方法

　　基于信号完整性计算机分析的PCB设计流程如图2所示。与传统的PCB设计方法相比，基于信号完整性分析的设计方法具有以下特点：

　　在PCB板设计之前，首先建立高速数字信号传输的信号完整性模型。

　　根据SI模型对信号完整性问题进行一系列的预分析，根据仿真计算的结果选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计的依据。

　　在电路的设计过程中，将设计方案送交SI模型进行信号完整性分析，并综合元器件和PCB板参数的公差范围、PCB版图设计中可能的拓扑结构和参数变化等因素，计算分析设计方案的解空间。

在电路设计完成后，各高速数字信号应该都具有一个连续的、可实现的解空间。即当PCB及元器件参数在一定的范围内变化、元器件在PCB板上