高速PCB电路板的信号完整性设计.doc

高速PCB电路板的信号完整性设计 摘要: 描述了高速PCB电路板信号完整性设计方法. 介绍了信号完整性基本理论, 重点讨论了如何采用高速PCB设计方法保证高速数采模块的信号完整性, 关键词: 信号完整性; PCB设计; 集成电路芯片构成的电子系统朝着大规模、小体积、高速度方向发展, 信号的工作频率也不断提高, 使得PCB的布局布线密度变大, 输出开关速度过高, 引起信号延迟、时序问题及串扰、传输线效应等信号完整性问题, 从而导致系统工作不稳定, 甚至完全不工作. 因此, 如何在系统设计以及板极设计中考虑到信号完整性的因素, 并采取有效的控制措施, 成为一个设计成功的关键因素 . 文中在对信号完整性设计的基本理论做出一个完整的阐述。 1?? 信号完整性基本理论 1. 1?? 信号完整性定义 信号完整性( S igna l Integrity, S I)是指在信号线上的信号质量, 是信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应的能力. 当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC 时, 该电路就有很好的信号完整性。 1. 2?? 影响信号完整性的主要因素 引起信号完整性问题的因素很多, 主要因素有延迟、反射、串扰、地弹以及电磁干扰. 信号时延主要表现为信号在逻辑电平的高、低门限之间变化时, 保持一段时间信号不跳变. 过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱. 信号延时的原因包括驱动过载和走线过长. 传输时延与信号线的长度、信号传输速度。 反射, 即为传输线上的回波. 反射信号产生的主要原因是过长的走线、未被匹配终端的传输线、过量电容或电感及阻抗失配. 当一根信号线上有信号通过时, 在PCB 板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号, 这种现象称之为串扰. 信号线距离地线越近, 线间距越大, 产生的串扰信号越小. 地弹是指当电路中有大的电流涌动时产生的地平面反弹噪声. 电磁干扰包括产生过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两个方面. EM I产生的主要原因是电路工作频率太高及布局、布线不合理. 2?? 高速数据采集系统 高速数据采集系统原理框图如图1所示, 此高速数据采集系统体积小巧轻便, 致使电路板布局布线密度高; 系统时钟运行频率为100MH z以上, ADC 芯片转换率在125MH z左右, 属于高速系统; 同时系统工作还需多种电源供电, 因此对其分析必须全面考虑信号完整性 . 图1?? 数据采集系统原理框图 F ig. 1?? The schem atics b lock d iagram o f data acqu isition system 3?? 信号完整性设计 3. 1?? 电路板叠层设计 高速电路由于集成度高、芯片密度大以及布线紧凑的原因, 一般采用多层板来降低板中的相应干扰. 叠层设计要考虑器件密度、总线的布线密度、电路功能以及电磁兼容等多方面因素. 合理的叠层设计是对大多数信号完整性问题和EMC问题的最好防范措施. 综合考虑多方面因素, 系统电路板采用4层叠层设计, 分别为顶层元件为信号层, 第2层为信号地层, 第3层为电源层, 底层为元件及信号层. 这种设计具有如下特点: 电源层和地层紧密耦合, 形成大 电容!补充地弹效应中需要的电荷; 信号层紧靠大面积铜箔, 为信号提供优良回路, 减小反射与天线效应; 中间层地平面和电源平面, 能有效降低电源阻抗与地阻抗, 减小传导干扰. 3. 2电路板布局设计 布局设计是设计PCB电路板中的至关重要的环节, 良好的布局能使电子电路获得最佳性能, 能有效减少信号完整性问题. 布局过程中, 要结合结构设计的尺寸要求和器件的布线要求, 依次合理规划出主要器件的位置 . 对于图1所示的数据采集系统而言, 需以FPGA 为中心构建高速互连网络. 在主要芯片确定位置后, 根据电路的功能单元, 对电路的全部元器件进行布局. 对电路的全部器件布局时, PCB电路板设计应遵循以下原则: 1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置, 使布局便于信号流通, 并使信号尽可能保持一致的方向; 2)尽可能缩短高频元器件之间的连线, 设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰; 3)电源要避开高速信号线以防止电源干扰; 4)模拟电路与数字电路分开设计, 减小信号间干扰; 5)匹配电阻靠近器件输出或输入管脚, 减小传输线 过冲!与 欠压!问题; 6)在高频下工作的电路, 要考虑元器件之间的分布参数. 应尽可能使元器件平行排列. 这样, 不仅布局美观, 而且装焊容易, 易于批量生产. 3. 3?? 电路板布线设计 印刷电路的成本与层数、基板的表面积成正比, 在不影响系统功能、稳定性等前提下, 应尽可能地用最少层数满足实际设计需要, 从而致使布线密度不可避免地增大, 走线宽度越来越小. 走