PCB与信号完整性工程设计原理及方法

PCB与信号完整性工程设计原理及方法,硬件设计相关。

PCB与信号完整性分析基

础

PCB与信号完整性工程设计原理及方法,硬件设计相关。

目录

前言

信号完整性（Signal Itegrity）概念信号完整性（Signal Itegrity）原理信号完整性仿真技术

信号完整性工程设计应用

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现代电子设计的挑战不断缩小的特征尺寸

高速问题更加突出

信号边缘速率越来越快片内和片外时钟速率越来越高系统和板级SI、EMC问题更加突出

越来越强的电路功能(SOC)

物理实现难度加大

电路的集成规模越来越大 I/O数越来越多单板互连密度不断加大

越来越强的市场竞争

设计周期缩短

推向市场的时间不断减少开发成本成为主要推动力一次性设计成功的挑战

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高速系统带来的挑战

Digital Clock Frequencies are Increasing: doubling every 2 years!

All noise effects increase as rise times decrease and clock frequencies increase

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现实世界的现状

现在的设计有成百上千的高速信号。

各种工艺、器件和信号类型有不同的信号质量要求：

3.3V 器件由不同于5V器件的噪声裕量 时钟信号由不同于总线的时序要求 PCI总线由不同于ISA总线的过冲限制

印制板上的互连线对信号有明显的影响，必须加以分析。

没有任何一种设计指南完全覆盖现在的所有设计。

对标准设计指南的强制应用，必将造成过头的设计，增加了制造成本和

复杂程度。

关键信号和总线必须基于实际情况加以设计和分析。

信号完整性设计工程就是解决以上问题

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随着系统速度的提高问题将更加复杂

5MHz20MHz50 MHz

NO

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何时判断是否高速设计

今天电子设计师们正在从事100MHz 以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHz，有的甚至超过100MHz。这类型的电子系统要求高速、高效、高度集成且具备高可靠性，这是一个新的领域，称为高速系统设计（HssD，High Speed Ｓystem Design)。

高速电路有两个方面的含义：一是频率高，通常认为如果数字逻辑电路设计的频率达到或者超过45MHz~50MHz，而且工作在这个频率的电路已经占整个电子系统一定的份量（例如三分之一），则称为高速电路设计。另外一个含义是指数字信号的上升与下降（或称信号的跳变）非常之快，当信号的上升时间小于6倍

（一说4倍）信号传输延时（电长度）时即认为信号是高速信号，而与信号的频率无关。

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SI：新概念，旧方法

SI应用的是传统的传输线、电磁学等理论，以及复杂的算法，解决以下几个方面的问题：*反射； *串扰；

*过冲、振铃、地弹、多次跨越逻辑电平错误；

*阻抗控制和匹配 *EMC； *热稳定性； *时序分析 *芯片封装设计； .............

必须注意，信号完整性设计不仅是PCB上如何走线，它是一个逻辑的、机械的和电气的元素的有机整体，信号完整性工程师要具有"系统的概念"。

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信号完整性分析作

用

提高系统性能、可靠性与稳定性

优化验证，减少投板次数

减少与简化，有效降低成本

缩短开发周期

提高产品竞争力

解决高速系统设计（HSSD）的唯一有效途径

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前言

信号完整性（Signal Integrity）概念信号完整性（Signal Integrity）原理信号完整性仿真技术

信号完整性工程设计应用

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信号完整性（SI）定义

SI（SIGNAL INTEGRITY），即信号完整性，是近几年发展起来

的新技术。

SI解决的是信号传输过程中的质量问题，尤其是在高速领域，数字信号的传输不能只考虑逻辑上的实现，物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往往成为设计成败的关键。

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信号完整性问题分

类

传输延时（Propagation Delay

）

信号失真（反射、振铃、损耗、散射）串扰（Crosstalk

）

电源/地弹（Ground Bounce

）EMC

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信号完整性（Signal Itegrity）概念信号完整性（Signal Itegrity）原理信号完整性仿真技术

信号完整性工程设计应用

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为什么用传输线进行SI分析

PCB板上的信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现

出传输线的性质，在集总电路中视为短路线的连线上，在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同，所以不能再用集总参数来表示，必须采用分布参数传输线理论来处理。传输线的模型可以表示如下图：

图一：单根传输线模型

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单根传输线的分析方法

对于（图一）传输线的性质可以用电报方程来表达,电报方程如下： dU/dz = ( R + jwL) I

dI/dz = ( G +jwC) U 电报方程的解为：

U=Aerz+Be rz

I=Aerz/Zo Be rz/Zo

通解中的

r= 为传播常数 Zo= 为特征阻抗由于R, G 远小于 jwL、jwC， 所以通常所说的阻抗是指： Zo=

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单根传输线的分析方法（续）

从通解中可以看到传输线上的任意一点的电压和电流都是入射波 和反射波的叠加，传输因此传输线上任意一点的输入阻抗值都是 时间、位置、终端匹配的函数，再使用输入阻抗来研究传输线已 经失去意义了，所以引入了特征阻抗、行波系数、反射系数的概

念描述传输线。

特征阻抗的物理意义就是：入射波的电压和入射波的电流的比值

，或反射波的电压和反射波电流的比值。

电磁波在介质的中的传输速度只与介质的介电常数或等效介电常

数有关。

FR4带状线的典型传输速度为180ps/inch