【導(dǎo)讀】在高速PCB電路設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會遇到信號完整性問題，導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量不佳甚至出錯。那么如何區(qū)分高速信號和普通信號呢？很多人覺得信號頻率高的就是高速信號，實(shí)則不然。任何信號都可以由正弦信號的N次諧波來表示，而信號的最高頻率或者信號帶寬才是衡量信號是否是高速信號的標(biāo)準(zhǔn)。
1、隔離
一塊PCB板上的元器件有各種各樣的邊值(edge rates)和各種噪聲差異。對改善SI最直接的方式就是依據(jù)器件的邊值和靈敏度，通過PCB板上元器件的物理隔離來實(shí)現(xiàn)。
圖1是一個實(shí)例。在例子中，供電電源、數(shù)字I/O端口和高速邏輯這些對時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路的高危險(xiǎn)電路將被特別考慮。
第一個布局中放置時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在相鄰于噪聲器件的附近。噪聲將會耦合到敏感電路及降低他們的性能。第二個布局做了有效的電路隔離將有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號完整性。
2、阻抗、反射及終端匹配
阻抗控制和終端匹配是高速電路設(shè)計(jì)中的基本問題。通常每個電路設(shè)計(jì)中射頻電路均被認(rèn)為是最重要的部分，然而一些比射頻更高頻率的數(shù)字電路設(shè)計(jì)反而忽視了阻抗和終端匹配。
由于阻抗失配產(chǎn)生的幾種對數(shù)字電路致命的影響，參見下圖：
a.數(shù)字信號將會在接收設(shè)備輸入端和發(fā)射設(shè)備的輸出端間造成反射。反射信號被彈回并且沿著線的兩端傳播直到最后被完全吸收。
b.反射信號造成信號在通過傳輸線的響鈴效應(yīng)，響鈴將影響電壓和信號時延和信號的完全惡化。
c.失配信號路徑可能導(dǎo)致信號對環(huán)境的輻射。
由阻抗不匹配引起的問題可以通過終端電阻降到最小。終端電阻通常是在靠近接收端的信號線上放置一到兩個分立器件，簡單的做法就是串接小的電阻。
終端電阻限制了信號上升時間及吸收了部分反射的能量。值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破壞性因素。然而認(rèn)真的選用合適的器件，終端阻抗可以很有效的控制信號的完整性。
并不是所有的信號線都需要阻抗控制，在一些諸如緊湊型 PCI 規(guī)格要求中的特征阻抗和終端阻抗特性。對于別的沒有阻抗控制規(guī)范要求的其他標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)者并沒有特意關(guān)注的。
最終的標(biāo)準(zhǔn)可能發(fā)生變化從一個應(yīng)用到另一個應(yīng)用中。因此需要考慮信號線的長度(相關(guān)與延遲 Td)以及信號上升時間(Tr)。通用的對阻抗控制規(guī)則是 Td(延遲)應(yīng)大于 Tr 的 1/6。
3、內(nèi)電層及內(nèi)電層分割
在電流環(huán)路設(shè)計(jì)中會被數(shù)字電路設(shè)計(jì)者忽視的因素，包括對單端信號在兩個門電路間傳送的考慮(圖2)。從門 A 流向門 B 的電流環(huán)路，然后再從地平面返回到門 A。
圖2 門電路電流環(huán)路
門電路電流環(huán)路中存在兩個潛在的問題：
a、 A 和 B 兩點(diǎn)間地平面需要被連接通過一個低阻抗的通路
如果地平面間連接了較大的阻抗，在地平面引腳間將會出現(xiàn)電壓倒灌。這就必將會導(dǎo)致所有器件的信號幅值的失真并且疊加輸入噪聲。
b、 電流回流環(huán)的面積應(yīng)盡可能的小
環(huán)路好比天線。通常說話，一種更大環(huán)路面積將會增大了環(huán)路輻射和傳導(dǎo)的機(jī)會。每一個電路設(shè)計(jì)者都希望回流電流都可直接沿著信號線，這樣就最小的環(huán)路面積。
用大面積接地可以同時解決以上兩個問題。大面積接地可以提供所有接地點(diǎn)間小的阻抗，同時允許返回電流盡量直接沿著信號線返回。
在 PCB 設(shè)計(jì)中一個常見的錯誤是在層間打過孔和開槽。圖3顯示了當(dāng)一條信號線在一個開過槽的不同層上的電流流向。回路電流將被迫繞過開槽，這就必然會產(chǎn)生一個大的環(huán)流回路。
圖3 PCB層間回路電流流向
通常而言，在地電源平面上是不可以開槽的。然而，在一些不可避免要開槽的場合，PCB 設(shè)計(jì)者必須首先確定在開槽的區(qū)域沒有信號回路經(jīng)過。
同樣的規(guī)則也適用于混合信號電路 PCB 板中除非用到多個地層。特別是在高性能ADC電路中可以利用分離模擬信號、數(shù)字信號及時鐘電路的地層有效的減少信號間的干擾。
需要再次強(qiáng)調(diào)的，在一些不可避免要開槽的場合，PCB 設(shè)計(jì)者必須首先確定在開槽的區(qū)域沒有信號回路經(jīng)過。在帶有一個鏡像差異的電源層中也應(yīng)注意層間區(qū)域的面積(圖4)。
在板卡的邊緣存在電源平面層對地平面層的輻射效應(yīng)。從邊沿泄漏的電磁能量將破壞臨近的板卡。見下圖4a。適當(dāng)?shù)臏p少電源平面層的面積(圖4 b)，以至于地平面層在一定的區(qū)域內(nèi)交疊。這將減少電磁泄漏對鄰近板卡的影響。
圖4 地電層的輻射效應(yīng)
4、串?dāng)_
在PCB設(shè)計(jì)中，串?dāng)_問題是另一個值得關(guān)注的問題。下圖中顯示出在一個PCB中相鄰的三對并排信號線間的串?dāng)_區(qū)域及關(guān)聯(lián)的電磁區(qū)。當(dāng)信號線間的間隔太小時，信號線間的電磁區(qū)將相互影響，從而導(dǎo)致信號的變化就是串?dāng)_。
串?dāng)_可以通過增加信號線間距解決。然而，PCB 設(shè)計(jì)者通常受制于日益緊縮的布線空間和狹窄的信號線間距;由于在設(shè)計(jì)中沒有更多的選擇，從而不可避免的在設(shè)計(jì)中引入一些串?dāng)_問題。顯然，PCB 設(shè)計(jì)者需要一定的管理串?dāng)_問題的能力。
通常業(yè)界認(rèn)可的規(guī)則是 3W 規(guī)則，即相鄰信號線間距至少應(yīng)為信號線寬度的 3 倍。但是，實(shí)際工程應(yīng)用中可接受的信號線間距依賴于實(shí)際的應(yīng)用、工作環(huán)境及設(shè)計(jì)冗余等因素。
信號線間距從一種情況轉(zhuǎn)變成另一種以及每次的計(jì)算。因此，當(dāng)串?dāng)_問題不可避免時，就應(yīng)該對串?dāng)_定量化。這都可以通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)表示。利用仿真器， 設(shè)計(jì)者可以決定信號完整性效果和評估系統(tǒng)的串?dāng)_影響效果。
5、電源去耦
電源去耦是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中慣例，退耦有助于減少電源線上噪聲問題。迭加在電源上的高頻噪聲將會對相鄰的數(shù)字設(shè)備都會帶來問題。典型的噪聲于地彈、信號輻射或者數(shù)字器件自身。
最簡單的解決電源噪聲方式是利用電容對地上的高頻噪聲去耦。理想的退耦電容為高頻噪聲提供了一條對地的低阻通路，從而清除了電源噪聲。
依據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇去耦電容，大多數(shù)的設(shè)計(jì)者會選擇表貼電容在盡可能靠近電源引腳，而容值應(yīng)大到足夠?yàn)榭深A(yù)見的電源噪聲提供一條低阻對地通路。
采用退耦電容通常會遇到的問題是不能將退耦電容簡單的當(dāng)成電容。有以下幾種情況：
a、 電容的封裝會導(dǎo)致寄生電感;
b、 電容會帶來一些等效電阻;
c、 在電源引腳和退耦電容間的導(dǎo)線會帶來一些等效電感;
d、 在地引腳和地平面間的導(dǎo)線會帶來一些等效電感;
由此而引發(fā)的效應(yīng)：
a、 電容將會對特定的頻率引發(fā)共振效應(yīng)和由其產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)阻抗對相鄰頻段的信號造成更大的影響;
b、 等效電阻(ESR)還將影響對高速噪聲退耦所形成的低阻通路;
圖5 現(xiàn)實(shí)中的去耦
以下總結(jié)了由此對一個數(shù)字設(shè)計(jì)者產(chǎn)生的效應(yīng)：
a、 從器件上 Vcc 和 GND 引腳引出的引線需要被當(dāng)作小的電感。因此建議在設(shè)計(jì)中盡可能使 Vcc 和 GND 的引線短而粗。
b、 選擇低 ESR 效應(yīng)的電容，這有助于提高對電源的退耦;
c、 選擇小封裝電容器件將會減少封裝電感。改換更小封裝的器件將導(dǎo)致溫度特性的變化。
因此在選擇一個小封裝電容后，需要調(diào)整設(shè)計(jì)中器件的布局。在設(shè)計(jì)中，用 Y5V 型號的電容替換 X7R 型號的電容器件，可保證更小的封裝和更低的等效電感，但同時也會為保證高的溫度特性花費(fèi)更多的器件成本。
在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮用大容量電容對低頻噪聲的退耦。采用分離的電解電容和鉭電容可以很好的提高器件的性價比。
