基于信号完整性分析的高速数字PCB板设计方法

孙建光

摘要把基于信号完整性分析的高速数字PCB板设计方法和相对来说比较传统的PCB设计进行对比，文章主要介绍的就是PCB设计的方法，在设计的过程中，先对所有的速度数字信号建立PCB板级信号传输模型，然后对其传输的模型进行设计和分析。

关键词信号完整性；设计的方法；分析模型

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0054-02

由于集成电路输出的开关速度处于不断提高的环境中，PCB板相关的密度也在不断的增加，信号完整性成为高速数字PCB板设计者比较关心的问题。对信号的完整性有着影响的主要分为三个因素：一是元器件和PCB板的相关参数；二是元器件在PCB板上相关的布局；三是速度信号进行布线等，在一定程度上会使工作系统出现不稳定的现象，严重就会导致系统不能进行工作。在PCB板设计的过程中，影响信号完整性的因素要进行充分的考虑，这也是PCB设计业中一个比较热门的问题之一。

1信号完整性

信号完整性简称SI，主要是指信号在电路中不仅能够以正确的时序体现响应的能力，还能以正确的电压做出响应的能力。电路集达到电路芯片的过程中，电路中的信号是按时序、维持的时间内以及电压幅度进行达到的，就说明该电路中有着比较好的信号完整性。如果信号在电路中不能够进行正常的反应，就说明信号的完整性出现了问题。信号完整性的问题主要有：一是延迟；二是反射；三是串扰；四是同步切换噪声；五是电磁干扰。

延迟主要指的就是信号在PCB板的导线上进行有限速度的传输，信号开始是在发送端进行发出，并发送到接收端，在这个过程中存在传输延迟。信号的延迟会在一定程度上对系统时序产生相应的影响，在高速数字系统中，导线的长度以及导线周围的介电常数是传输延迟的主要因素。

PCB板上的导线上有两个阻抗，一是特征阻抗；二是负载阻抗，当两个阻抗得不到匹配的同时，信号到达接收端之后，就会有一些能量沿着传输线进行返回的现象，导致信号波发生了畸变的现象，严重的还会使信号出现上下过冲，信号如果在传输线上进行来回的反射，不仅会产生振铃，还会出现环绕震荡。

不仅PCB板上的任意两个器件和导线不仅能够互容，还能够互感。如果当一个器件的信号发生变化时，就会在互容和互感的情况下，对其他的器件产生一定的影响，也就是串扰。

如果PCB板上出现比较多信号进行互换的现象时，电源线和地下线两者之间存在一定的阻抗，就会产生出SSN，在地线上就会出现反弹噪声，简称为地弹。不仅SSN的强度取决于集成电路I/O的特性，就连地弹的强度也是取决于集成电路I/O的特性，和其他一些电子设备是一样的，PCB也存在EMI的问题，产生的主要因素，不仅和PCB板的布局方式有关，还和PCB板布线方式有关。

2相关的设计方法

针对SI 计算机对PCB设计方法为：把设计相关的内容进行输入，首先输入的就是原理图设计，对其在SI模型下进行SI仿真的分析，仿真分析之后在进行PCB相关的设计，并对其设计进行有效的加工，最后实行相关的测量和调试，在进行调试的过程中，出现设计的原图进行相应的修改，如果满足调试相关的要求，就可以对设计进行定型。

信号完整性分析的方法主要具有以下几个方面特点：一是在对PCB进行设计的前提下，必须要先建立高速数字信号传输的SI模型；二是对SI问题在SI模型中进行相应的仿真，并结合仿真的实际结构，不仅要选择比较合适的元器件类型，还要选择比较合适的电路拓扑结构，作为原理图在设计的过程中主要的依据；三是将设计的相关方案交到SI模型当中，并对其进行SI分析，不仅要结合元器件和PCB板参数公差存在的因素进行考虑，还要对PCB图版设计中的参数变化因素进行考虑，对设计方案进行深刻的分析；四是在图形设计完成之后，各个高速数字信号不仅应该具有连续的解空间，还要具有可实现的解空间，也就是PCB在范围内进行变化、元件参数在范围内进行变化、PCB板上布局具有一定的灵活性、PCB板上的信号也具有灵活性等情况下，对SI的相关要求都能够得到一定的保证；五是PCB在进行设计之前，获得信号解空间上边界值，就是PCB在设计过程中受到约束的条件，同时不仅是PCB布局设计的主要依据，还是PCB布线设计的主要依据；六是在PCB整个设计的过程中，将部分完成或者是全部完成的相关设计要送到SI模型当中，对其进行SI分析，看看设计出来的PCB版图在设计的过程中是否符合SI的相关要求。如果在进行SI仿真的过程中，仿真出来的结果不能满足SI相关的要求，就要对PCB设计进行修改，严重的就要对PCB原理图设计进行修改，这样做的方法在一定程度上防止了PCB设计中出现的不当，就会出现PCB进行制作的现象。PCB在设计的过程中，制造出来的参数存在的公差范围一定要在SI分析解空间的范围之中；七是对已经制造出来的PCB，要用仪器进行再一次的检测和调试，不仅验证SI模型的正确性，还要验证SI分析的正确性，还作为模型进行修正的主要依据。

在SI模型正确方法基础上以及SI分析方法正确的基础上，对PCB板设计进行较少的修改或者不用修改的前提下，就能够对其进行最终的定稿，这样不仅可以对产品开发的周期进行了一定的缩短，还在一定程度上对产品开发的成本进行了相应的降低。

3总结

在对PCB板设计的过程中和设计完成后，都要对其进行验证和检测，进一步保证SI模型的正确性和SI分析的正确性，在一定程度上促进了高速数字PCB板的设计和开发，不仅对产品的性能在一定程度上得到了提高，对产品开发的周期也得到了相应的缩短，对成品成本的开发起到了降低的作用。SI分析模型以及SI计算和分析算法在以后会得到不断的完善和提高，SI进行分析的PCB设计相关的方式，在以后的电子产品设计的过程中，将会得到比较广泛的应用。

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