利用布线技巧提高嵌入式系统PCB的信号完整性

O 引言

随着电子技术的迅猛发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，在很多应用中，人们考虑的不再是功能和性能，而是可靠性和兼容性。印制电路板(print circuit board，PCB)是电子产品中电路元件和器件的基本支撑件，其设计质量往往直接影响嵌入式系统的可靠性和兼容性。以往，一些低速电路板中，时钟频率一般只有10 MHz左右，电路板或封装设计的主要挑战就是如何在双层板上布通所有的信号线以及如何在组装时不破坏封装。由于互连线不曾影响系统性能，所以互连线的电气特性并不重要。在这种意义下对信号低速电路板中的互连线是畅通透明的。但是随着嵌入式系统的发展，采用的电路基本上都是高频电路，由于时钟频率的提高，信号上升沿也变短，印制电路对经过信号产生的容抗和感抗将远远大于印制电路本身的电阻，严重影响信号的完整性。对于嵌入式系统，当时钟频率超过100 MHz或上升沿小于1 ns时，信号完整性效应就变得重要了。

在PCB中，信号线是信号传输的主要载体，信号线的走线情况将直接决定信号传输的优越，从而直接影响整个系统的性能。不合理的布线，将严重引发多种信号完整性的问题，对电路产生时序、噪声和电磁干扰(EMI)等，将严重影响系统的性能。对此，本文从高速数字电路中信号线的实际电气特性出发，建立电气特性模型，寻找影响信号完整性的主要原因及解决问题的方法，给出布线中应该注意的问题和遵循的方法和技巧。

1 信号完整性

信号完整性是指信号在信号线上的质量，即信号在电路中能以正确的时序和电压电平作出响应的能力，信号具有良好的信号完整性是指在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。信号完整性问题体现在很多方面，主要包括延迟、反射、串扰、过冲、振荡、地弹等。

延迟(Delay)：延迟是指信号在PCB板的传输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。信号延迟会对系统的时序产生影响；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。在高速数字系统中，信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差的最直接因素，时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性，如果时钟脉冲相位差太大，会在接收端产生错误的信号。

反射(Reflection)：反射就是信号在信号线上的回波。当信号延迟时间远大于信号跳变时间时，信号线必须当作传输线。当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号功率(电压或电流)的一部分传输到线上并到达负载处，但是有一部分被反射了。若负载阻抗小于原阻抗，反射为负；反之，反射为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射。

串扰(Crosstalk)：串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起信号线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。串扰噪声源于信号线网之间、信号系统和电源分布系统之间、过孔之间的电磁耦合。串绕有可能引起假时钟、间歇性数据错误等，对邻近信号的传输质量造成影响。现实中，无法完全消除串扰，但可将其控制在系统所能承受的范围之内。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性、基线端接方式对串扰都有一定的影响。

过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot)：过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压，对于上升沿，是指最高电压；对于下降沿，是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值超过设定电压。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致其过早的失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。

振荡(Ringing)和环绕振荡(Rounding)：振荡现象是反复出现的过冲和下冲。信号的振荡即是由线上过渡的电感和电容引起的振荡，属于欠阻尼状态，而环绕振荡，属于过阻尼状态。振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。

地电平反弹噪声和回流噪声：当电路中有较大的电流涌动时会引起地电平反弹噪声，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面上产生电压波动和变化，这个噪声会影响其他元件的动作。负载电容的增大，负载电阻的减小，地电感的增大，同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

2 传输通道电气特性分析

在多层PCB中，绝大部分传输线不仅只布置在单个层面上，而是在多个层面上交错布置，各层面间通过过孔进行连接。所以，在多层PCB中，一条典型的传输通道主要包括传输线、走线拐角、过孔3个部分。在低频情况下，印制线和走线过孔可以看成普通的连接不同器件管脚的电气连接，对信号质量不会产生太大影响。但在高频情况下，印制线、拐角和过孔就不能仅考虑其连通性，还应考虑其高频时电气特性和寄生参数的影响。

2．1 高速PCB中传输线的电气特性分析

在高速PCB设计中，不可避免地要使用大量的信号连接线，且长短不一，信号经过连接线的延迟时间与信号本身的变化时间相比已经不能忽略，信号以电磁波的速度在连接线上传输，此时的连接线是带有电阻、电容、电感的复杂网络，需要用分布参数系统模型来描述，即传输线模型。传输线用于将信号从一端传输到另一端，由2条有一定长度的导线组成，一条称为信号路径，一条称为返回路径。在低频电路中，传输线的特性表现为纯电阻电气特性。在高速PCB中，随着传输信号频率的增加，导线间的容性阻抗减小，导线上感性阻抗增加，信号线将不再只表现为纯电阻，即信号将不仅在导线上传输，而且也会在导体间的介质中传播。如果信号频率进一步增加，当jωL>>R，1／(jωC)<<R时，导线上的感抗jωL和容抗1／(jωC)成为比电阻R更主要的因素。图1为传输线电气特性等效模型。

对于均匀导线，在不考虑外部环境变化的情况下，电阻R、传输线寄生电感L和寄生电容C平均分布(即L1=L2=…=Ln；C1=C2=…=Cn+1)。假设传输线为无损传输线，即R=0时，若取线参数：单位长度电容C1、单位长度电感量L1和传输线的总长度为Len，则有：

传输线总电容：

传输线总电感：

作者：姜 樟 齐剑锋 王创伟   来源：现代电子技术