隨著集成電路輸出開關(guān)速度提高以及PCB板密度增加，信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問題之一。元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等因素，都會(huì)引起信號(hào)完整性問題，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不工作。如何在PCB板的設(shè)計(jì)過程中充分考慮到信號(hào)完整性的因素，并采取有效的控制措施，已經(jīng)成為當(dāng)今PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中的一個(gè)熱門課題。基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法能有效地實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。1. 信號(hào)完整性問題概述信號(hào)完整性(SI)是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。從廣義上講，信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMI)。延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。另外，當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號(hào)的過沖和下沖。信號(hào)如果在傳輸線上來回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

1.寄生電容過孔本身存在著對地或電源的寄生電容，如果已知過孔在內(nèi)層上的隔離孔直徑為D2;過孔焊盤的直徑為D1;PCB的厚度為T;板基材的相對介電常數(shù)為ε;過孔的寄生電容延Κ了電路中信號(hào)的上升時(shí)問，降低了電路的速度。如果一塊厚度為25mil的PCB，使用內(nèi)徑為10mil，焊盤直徑為20mil的過孔，內(nèi)層電氣間隙寬度為32mil時(shí)，可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致為0.259 pF。如果走線的特性阻抗為30Ω,則該寄生電容引起的信號(hào)上升時(shí)間延長量。系數(shù)1/2是因?yàn)檫^孔在走線的中途。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。2.寄生電感過孔還具有與其高度和直徑直接相關(guān)的串聯(lián)寄生電感。若九是過孔的高度;d是中心鉆孔的直徑;則過孔的寄生電感L近似為在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，寄生電感帶來的危害超過寄生電容的影響。過孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容在電源或地平面濾除噪聲的作用，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用c因此旁路和去耦電容的過孔應(yīng)該盡可能短，以使其電感值最小。通過上面對過孔寄生特性的分析，為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到：· 盡量減少過孔，尤其是時(shí)鐘信號(hào)走線;· 使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù);· 過孔阻抗應(yīng)該盡可能與其連接的走線的阻抗相匹配，以便減小信號(hào)的反射;

從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來看，芯片體積越來越小、引腳數(shù)越來越多;同時(shí)，由于近年來IC工藝的發(fā)展，使得其速度也越來越高。這就帶來了一個(gè)問題，即電子設(shè)計(jì)的體積減小導(dǎo)致電路的布局布線密度變大，而同時(shí)信號(hào)的頻率還在提高，從而使得如何處理高速信號(hào)問題成為一個(gè)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復(fù)雜度和時(shí)鐘頻率的迅速提高，信號(hào)邊沿不斷變陡，印刷電路板的線跡互連和板層特性對系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對于低頻設(shè)計(jì)，線跡互連和板層的影響可以不考慮，但當(dāng)頻率超過50 MHz時(shí)，互連關(guān)系必須考慮，而在*定系統(tǒng)性能時(shí)還必須考慮印刷電路板板材的電參數(shù)。因此，高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須面對互連延遲引起的時(shí)序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號(hào)完整性(Signal Integrity，SI)問題。當(dāng)硬件工作頻率增高后，每一根布線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線，對其他電子設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射或與其他設(shè)備相互干擾，從而使硬件時(shí)序邏輯產(chǎn)生混亂。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)的標(biāo)準(zhǔn)提出了解決硬件實(shí)際布線網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾以及本身抵抗外部電磁干擾的基本要求。1 高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本概念在高速數(shù)字電路中，由于串?dāng)_、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號(hào)完整性問題，本來在低速電路中無需考慮的因素在這里就顯得格外重要;另外，隨著現(xiàn)有電氣系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電磁兼容性也變成了一個(gè)不能不考慮的問題。要解決高速電路設(shè)計(jì)的問題，首先需要真正明白高速信號(hào)的概念。高速不是就頻率的高低來說的，而是由信號(hào)的邊沿速度決定的，一般認(rèn)為上升時(shí)間小于4倍信號(hào)傳輸延遲時(shí)可視為高速信號(hào)。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中，也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性的問題。這是由于隨著集成電路工藝的提高，所用器件I/O端口的信號(hào)邊沿比以前更陡更快，因此在工作時(shí)鐘不高的情況下也屬于高速器件，隨之帶來了信號(hào)完整性的種種問題。

湖北線路板印制一個(gè)高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個(gè)人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的多年經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)線路板印制所總結(jié)出來的層疊設(shè)計(jì)參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計(jì)基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報(bào)告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號(hào)線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號(hào)層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號(hào)層的相對排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號(hào)層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;