PCB信号完整性分析与设计(硕士学位论文)

1．1．课题的研究背景

随着人们对电子设备的小型化和多功能化要求越来越高，当今的电子系统正朝着高速化和小体积化的方向发展。沿着这个方向，现代电子系统的信号速率、时钟速率和集成电路的输出开关速度也在不断增加。从数字系统的工作频率看，越来越多的系统工作在lOOMitz以上，约50％的设计时钟频率都超过了50MHz，有近20％的设计主频超过了120mHz。信号边沿也变得越来越陡峭，目前信号的最小切换时间已经达到皮秒级。电子系统中系统时钟频率迅速提高和信号边沿不断变陡，使得PCB的信号走线和基板材料的特性对系统电气性能的影响越来越大。对于低频设计，信号走线和基板材料的影响可以不予考虑，但当信号频率超过50MHz时，信号的走线就必须考虑其传输线效应，而在评定系统性能时也必须考虑电路板基材的电参数。另一方面，随着芯片制造与芯片封装技术的不断进步，芯片体积在不断减小，引脚数目在不断增多，这导致了PCB上的元件密度和信号线密度不断增大。元器件的布局密度不断增大，彼此间的间隔变得越来越小，相互间的电磁感应和电磁干扰就越来越严重。可见，当前电子系统的发展为PCB的设计带来了一个问题，即信号频率上升、体积减小和布线密度增大，使得PCB的信号完整性问题越来越突出nH引。电子系统如果没有良好的信号完整性，就不能良好的工作，甚至根本不能工作。现代PCB设计时必须充分考虑信号完整性。然而影响PCB信号完整性的因素很多。诸如元器件的电磁特性、基板材料的特性、元器件的布局位置以及信号的布线状况等因素都会影响到PCB的信号完整性。因此，在PCB设计时如何快速的分析电路板的信号完整性、采取有效的信号完整性设计方法已经成为当今PCB设计领域中研究的热门课题瞄’。

1．2．信号完整性概述及其研究现状

信号完整性(S i gnal Integri ty，SI)是指信号在信号线上传输的质量。对于数字电路，就是要信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应。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接收端，就表明该电路具有较好的信号完整性。反之，就说明出现了信号完整性问题。在数字电路中，信号完整性问题主要表现为振铃、过冲、欠冲、时延、同步切换噪声和地弹等现象。为了正确识别和处理数据，IC要求数据在时钟边沿前后处于稳定状态。这段时间内如果信号不稳定或状态发生改变，IC就可能误判甚至丢失部分数据。在高速数字电路中，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。如出现诸如振荡、过冲、下冲等信号完整性问题(如图1-1所示)，就会造成时钟间歇振荡，从而导致电路误触发和接收数据出错。此外，数字电路中逻辑器件内部和PCB上的其他数字信号在进行同步切换时，因电源线和地线的阻抗以及器件的引线电感会在系统中产生同步切换噪声(SSN)，在地线上引起地弹噪声。诸如此类的信号问题会严重影响电路的性能H1。

差的信号完整性一般不是由某一单一因素导致的，而是电路板中的多种因素共同引起的。从形成机理上看，引起电路板信号完整性问题的原因主要是电路板上的串扰耦合、信号反射和电磁干扰(EMI)H¨朝嘲。相应地，研究和解决电路板的信号完整性问题也需要从这三方面来研究，并采取相应的措施。

1．2．1．串扰问题及其研究

串扰是信号线间的耦合，是由信号线之间的互感和互容引起的噪声。串扰耦合通常可分为两种，即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的，这种耦合通常在低频时起决定作用。电磁场耦合主要发生在高频时，又可分为电感性耦合与电容性耦合。通常所说的串扰是指电磁场耦合，本论文中涉及的串扰也仅指电磁场耦合。电磁场耦合属于近场耦合，其机理是在高频时PCB上的任何两个器件或导线之间都存在互容和互感，当一个器件或一条信号线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感耦合到其他器件或信号线，即串扰耦合。当耦合信号或串扰信号足够大时，接收串扰信号的信号线上就会出现信号完整性问题。PCB信号线间的串扰与传输的信号频率、走线的长度、走线间的距离以及参考地平面的状况等因素有关。例如参考平面上的裂缝会使跨越裂缝的信号线间的串扰增加，引起信号波形畸变。

串扰问题是PCB信号完整性设计中需要考虑的重要内容，如何减小或抑制串扰在PCB设计的任一环节都要加以考虑。因此，国内外较早对串扰就展开了深入而广泛的研究，取得了很多成果。诸如，文献[7]从理论上对串扰进行了分析，给出了两线间串扰的简单计算公式；文献[8]通过制作测试板，用测量的方法研究了微波频率下微带线间的串扰，文中指出串扰不仅通过空间耦合还通过电路板基板材料耦合到其他信号线上；文献[9]则分析了电路板上电源线对信号线的串扰影响，并通过减小两线的并行长度、增大间距、减小信号频率的方法减小了串扰。至今，串扰的基础研究已经较为成熟。当前对串扰的研究主要是针对实际问题下的串扰，以及减小串扰的PCB设计方法。如文献[10]对强开关电源线对其它信号线的串扰影响进行了研究；文献[11]分析了垂直交叉线间的串扰；文献[12，13]则重点研究了割裂地对信号线间串扰的影响；文献[143提出了通过保护带屏蔽强干扰线来减小串扰影响的方法。

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