浅谈PCB的信号完整性设计分析

李帅

【摘要】    信号完整性设计是PCB设计中的重要组成部分，其设计质量直接关系着PCB设计整体效果，决定PCB生产与应用质量。基于此，本文以PCB信号完整性设计为研究对象，简要分析了PCB信号完整性设计的必要性、PCB信号完整性的内涵以及PCB信号完整性的设计方法。

【关键词】    PCB设计    信号完整性

引言：

在电子科学技术创新发展与推广应用下，电子设备呈现出多类型、多功能、轻质量、小型化、精细化、自动化发展态势，并广泛应用于人们日常生产、生活与学习中。随着电子设备及其应用的高速发展，PCB设计的重要性不断提升。如何改善PCB信号完整性问题，提升PCB设计质量与应用效果成为人们关注的重点问题。

一、PCB的信号完整性设计的必要性分析

PCB（Printed Circuit Board，印制线路板/印刷電路板/印制板）是电子设备、电子系统中的重要构成部件，承担着电子元器件电气连接的重要使命。能够实现电子元器件自动检测、自动贴装，在保证电气设备生产与应用质量的同时，节约电子设备生产成本，提升电子设备管理效率。随着近些年我国电子科学技术的创新发展，电子设备呈现出多类型、多功能、轻质量、小型化、精细化、自动化发展态势，并广泛应用于人们日常生产、生活与学习中。在此背景下，PCB制造趋向高密度、高精度、高速度、轻质量、小型化、细导线、细间距等方向发展，对PCB设计提出了更高要求。而随着PCB制造的“高”、“精”、“细”、“轻”、“快”发展，PCB的信号完整性（PCB信号线的信号传输质量）问题日渐显著，信号反射、信号串扰、信号过冲与下冲、振铃、地弹等现象频发，成为影响PCB制造质量，制约电子产品创新发展的核心要素。

二、PCB的信号完整性设计内涵分析

信号完整性是指电路系统中信号的质量能够不失真地从源端传送到接收端。信号快速的跳变（上升沿与下降沿）引发了信号传输的非预期效果，这也是信号完整性问题的根源所在。在PCB设计过程中，信号完整性问题是一个综合性问题，导致PCB信号完整性的因素有很多，主要包括信号的反射、信号的串扰、电源和地分配中的轨道塌陷以及来自系统的电磁干扰和辐射等四个方面。对此，要想改善PCB的信号完整性问题，需要在PCB设计之初就做好信号完整性问题的综合分析工作，在PCB设计全过程中渗透改善信号完整性的措施，最终实现对PCB信号完整性的科学控制。

三、PCB的信号完整性设计方法分析

（一）就信号反射而言，信号在传输过程中，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，当信号所感受到的瞬态阻抗相一致时，信号顺利传输;当信号所感受到的瞬态阻抗产生变化时则会发生信号反射。反射会造成信号过冲、振铃、边沿迟缓等问题。衡量信号反射的重要指标是反射系数，表示反射信号与入射信号幅值之比，其大小为：ρ= （Z2-Z1）/（Z2+Z1）， Z1是第一个区域的特性阻抗，Z2是第二个区域的特性阻抗。反射是经常遇到的信号完整性问题，我们只能无限地缩小它，却不能完全消除它。在PCB设计过程中，我们可以通过调整布线拓扑结构、控制走线阻抗以及对信号线进行匹配等方法进行处理。

（二）信号的串扰是指信号在传输线路上传输时，由于电磁耦合而对相邻的传输线产生影响的现象。串扰一般通过两种途径：电容耦合和电感耦合。串扰不是来自于外部的噪声，而是由内部传输线之间的电磁效应引起的。解决串扰问题的方式主要有增加走线间距、进行端接匹配、相邻层走线相互交叉、保证信号线有良好的回流路径、对重要信号线进行包地处理等方式。

（三）轨道塌陷是指当通过电源和地路径的电流发生变化时，在电源路径和地路径间的阻抗上将产生一个压降，可以看做是电源与地间的电压减小或塌陷。轨道塌陷噪声主要是电源分配网络问题。解决方法：电源和地平面之间放置去耦电容;电源和地之间的连接线尽可能地短和宽;电源层和地层尽可能的靠近放置;尽可能地让返回电流靠近信号电流。

（四）EMI有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是通过导电介质把信号耦合到另一根信号线上，辐射干扰则是通过空间耦合的方式。高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为干扰源，发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。解决方法：对特殊器件如高频、模拟、敏感等器件进行合理放置;合理划分PCB的模拟、数字等区域;处理好电源和地的布线;采用合理的接地方式等。

结论：PCB的信号完整性决定着PCB信号传输质量，随着PCB高密度、高集成、轻质量发展，PCB的信号完整性问题日渐显著，成为影响PCB研发与应用的核心要素。对此，在PCB设计研发与生产制造过程中，应明确认识PCB的信号完整性问题，掌握PCB的信号完整性设计方法，提升PCB的信号完整性设计质量，为电子产品创新与应用提供保障。

参  考  文  献

[1]陈放，田建宇，孙兆牛，等.基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法研究[J].航天控制，2017，35（04）：90-94.