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。