如何解决PCB设计的信号完整性

在电子设计领域，高性能设计有其独特挑战。

1 高速设计的诞生

近些年，日益增多的高频信号设计与稳步增加的电子系统性能紧密相连。

随着系统性能的提高，PCB设计师的挑战与日俱增：更微小的晶粒，更密集的电路板布局，更低功耗的芯片要求。

随着所有技术的迅猛发展，我们已成为高速设计的核心，需要考虑其复杂性和所有因素。

2 回顾

在过去30年，PCB设计发生了很大变化。1987年，我们认为0.5微米是技术的终结者，但今天，22纳米工艺已变成了常态。

如下图所示，1985年的边缘速率推进了设计复杂性的提升（通常为30纳秒），而如今边缘速率已变成1纳秒。

过去30年边缘速率的变化。

3 技术进步中伴随各种问题

技术的进步总是伴随着一系列问题。随着系统性能的提升和高速设计的采纳，一些问题必须在设计环境中进行处理。

下面，我们来总结一下面临的挑战：

信号质量

IC制造商倾向于更低的核心电压和更高的工作频率，这就导致了急剧上升的边缘速率。无端接设计中的边缘速率将会引发反射和信号质量问题。

串扰

在高速信号设计中，密集路径往往会导致串扰——在PCB上，走线间的电磁耦合关联现象。

串扰可以是同一层上走线的边缘耦合，也可以是相邻层上的宽边耦合。

耦合是三维的。与并排走线路径相比，平行路径和宽边走线会造成更多串扰。

宽边耦合（顶部）相比于边缘耦合（底部）　　

辐射

在传统设计中的快速边缘速率，即使使用与先前相同的频率和走线长度，也会在无端接传输线上产生振铃。

这从根本上导致了更高的辐射，远远超过了无终端传输线路的FCC/CISPR B类限制。

10纳秒（左）和1纳秒（右）的边缘速率辐射。

4 设计解决方案

信号和电源完整性问题会间歇出现，很难进行判别。所以最好的方法，就是在设计过程中找到问题根源，将之清除，而不是在后期阶段试图解决，延误生产。

通过叠层规划工具，能更容易地在您的设计中，实现信号完整性问题的解决方案。

5 电路板叠层规划

高速设计的头等大事一定是电路板叠层。基板是装配中最重要的组成部分，其规格必须精心策划，避免不连续的阻抗、信号耦合和过量的电磁辐射。

在查看下次设计的电路板叠层时，请牢记以下提示和建议：

所有信号层需相邻并紧密耦合至不间断的参考平面，该平面可以创建一个明确的回路，消除宽边串扰。

每个信号层的基板都邻接至参考平面。

有良好的平面电容来减少高频中的交流阻抗。紧密耦合的内电层平面来减小顶层的交流阻抗，极大程度减少电磁辐射。

降低电介质高度会大大减少串扰现象，而不会对电路板的可用空间产生影响。

基板应能适用一系列不同的技术。例如：50/100欧姆数位，40/80欧姆DDR4，90欧姆USB。

6 布线和工作流程

精心策划叠层后，下一步便需关注电路板布线。基于设计规则和工作区域的精心配置，您能够最高效成功地对电路板进行布线。

以下这些提示，能帮助您的布线更加容易，避免不必要的串扰、辐射和信号质量问题：

简化视图，以便清楚查看分割平面和电流回路。

为此，首先确定哪个铜箔平面（地或电源）作为每个信号层的参考平面，然后打开信号层和内电层平面同时查看。这能帮助您更容易地看到分割平面的走线。

多重信号层（左）、顶层和相邻平面视图（右）

如果数字信号必须穿越电源参考平面，您可以靠近信号放置一或两个去耦电容（100nF）。这样，就在两个电源之间提供了一个电流回路。

避免平行布线和宽边布线，这会比并排布线导致更多串扰。

除非使用的是同步总线，否则，平行区间越短越好，以减少串扰。为信号组留出空间，使其地址和数据间隔是走线宽度的三倍。

在电路板的顶层和底层使用组合微带层时要小心。这可能导致相邻板层间走线的串扰，危及信号完整性。

按信号组的最长延迟为时钟（或选通）信号走线，这保证了在时钟读取前，数据已经建立。

在平面之间对嵌入式信号进行走线，有助于辐射最小化，还能提供ESD保护。

7 信号清晰度

在未来，电子设计的复杂性毫无疑问会持续增加，这会给PCB设计师带来一系列亟待解决的挑战。确保电路板叠层、阻抗、电流回路的正确配置，是设计稳定性的基础。

编辑：黄飞