高速电路信号完整性影响的实验研究

张泽旺 周叶文 纪华志

【摘要】    信号完整性是进行高速电路板级设计的重要性能指标，通过介绍电路板级设计流程，电路板级设计规则;分析了信号完整性几种影响因素及提高信号完整性的设计举措;并进行了信号完整性及减少EMI设计方案的实验研究。

【关键词】    信号完整性    板级设计    EMI    电磁兼容

引言

在传输线接收端达到所需的电压或电平值，以保证信号波形或时序的完整;信号完整性主要考虑有串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等因素。可选用Altium Designer进行信号完整性分析，包括布线前原理图设计分析及布线后PCB版图设计分析;采用传输线计算、IO缓冲器模型仿真等工具，通过传输线长、特征阻抗值、SI规则约束、激励源、供电网络等设置，能实现布线前的阻抗特征、信号反射分析及布线后的传输线阻抗、信号反射、信号间串扰分析等。

一、板级设计流程

板级设计流程集合原理图设计和PCB版图设计两个流程，如图1所示。电路板级设计主要包括创建PCB工程、原理图绘制、电气规则检查、元器件数据管理、PCB版图绘制、设计规则定义、PCB布线、布局、PCB生产制造及工艺等过程。

绘制电路原理图及PCB版图，结合电路要求排除电路设计中遇到的违反电气连接特性和功能设计的常规设计错误;通过印制电路板上的覆铜导线、焊盘过孔等实现各个元器件引脚或物理部级的电气连接;按电路要求，在覆铜板上刻蚀出导电图形，并钻出元件引脚安装孔、实现电气互连的金属化过孔，覆盖绿油阻焊层，固定大尺寸元件以及整个电路板所需的螺丝或定位孔等步骤，最后得到产品所需的电路板。

二、板级设计规则

电路PCB板级设计规则如图2所示。设计规则是电路设计可靠性的保障，提升电路设计的效率，保障设计规格传递的连贯性。结合电路设计的性能指标，进行布局约束规则、布线约束规则、制造约束、板层设置、设置局部电气约束规则和全局约束规则;创建PCB板形、设计差异引擎、机械数据设置，必要时按照电源设计的要求，添加设置电路板层，合理划分内电源层等[2-9];电路板层次设置如图3所示。

三、信號完整性分析

一般影响信号完整性因素，一是布线的形状、接线端、连接器等不匹配导致产生反射;二是如果信号线上有交变的信号电流通过时，由于电磁效应，相邻的信号线会感应出信号电压称为串扰，一般与PCB板层的参数、信号线间距、端接方式有关;三是由于电路切换速度过快或反射所引起的信号突变产生过冲或下冲，过冲会引起保护电路过早失效，下冲会引起数据错误，可通过增加合适端接予以减少或消除;四是由传输线上等效电感、等效电容产生振铃，可以通过一定处理措施尽量减小，但一般不能消除;五是电路中驱动过载或走线过长引起的信号延迟。

四、实验研究

经过实践，系统板级电路提高信号完整性及EMI性能，可以通过如下实验方法，一是电源板级PCB走线布局修改成为星形走线且每路都串接磁珠;二是分配器平衡电阻引脚加套小磁环，以提高输出口高频段的隔离度;三是所有集成电路的电源引脚都增加电解电容及陶瓷电容，防止高频的频谱通过电源或地进行扩散。四是晶振电路可增加1M衰减电阻R，防止过分驱动，并减少晶振的接触电阻，造成频率偏移;五是信号线或接线端与晶振电路保持一定的距离，防止高频干扰;六是增加铺地区域（如晶振电路），上下层电源通过电容或均匀的过孔连接起来，形成一个屏蔽盒，防止信号外泄与干扰。

五、结论

研究表明，提高信号完整性的举措，首先，要通过提高线间安全间隔，降低信号干扰强度;增加线宽保障信号传输的负载能力;其次，电源、地之间要足够去耦电容，其交流阻抗极小，电源、地平面具备空间电场的屏蔽作用，电源和地线尽可能短和宽，避免梳状地线，将电源、地层背靠背设计，具有最小的电源系统阻抗，能有效抑制高频噪声;再次，时钟电路、大功耗电路、电源连接点的位置要配置足够的去耦电容，消除高频电路RF辐射，最后需要注意的是表面贴装电容应采用较大的过孔、焊盘到过孔的引线应尽可能短和宽，减少产生寄生电感的数值。

参  考  文  献

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