PCB科技 - 高速數位PCB板設計中的訊號

隨著集成電路輸出開關速度的新增和 PCB密度, 信號完整性已成為高速數位電路板設計中必須關注的問題之一. 元件和PCB的參數, PCB上元件的佈局, 以及高速訊號線的佈線, 等. 會導致信號完整性問題的因素.

對於PCB佈局，信號完整性要求提供不影響訊號定時或電壓的電路板佈局，而對於電路佈局，信號完整性要求提供終端組件、佈局策略和路由資訊。

PCB上的高訊號速度, 終端組件佈局不正確, 或者高速訊號的錯誤接線可能會導致信號完整性問題, 這可能會導致系統輸出不正確的數據, 電路工作不正常，甚至根本不工作. 如何在PCB設計過程中充分考慮信號完整性因素，並採取有效的控制措施，已成為國內外研究的熱點 PCB設計 當今工業

1、信號完整性問題

良好的信號完整性意味著訊號可以在需要時以正確的定時和電壓水准值響應。 相反，當訊號無法正常響應時，會出現信號完整性問題。

信號完整性問題可能會導致或直接導致訊號失真、定時錯誤、不正確的數據、地址和控制線路、系統故障，甚至系統崩潰。 信號完整性問題不是由單一因素引起的，而是在板級設計中引起的。 由多種因素引起。

IC開關速度、終端組件佈局不正確或高速訊號佈線不正確都可能導致信號完整性問題。 主要的信號完整性問題包括：延遲、反射、同步開關雜訊、振盪、地反彈、串擾等。

2、信號完整性的定義

信號完整性是指訊號在電路中以正確的定時和電壓作出響應的能力。 這是一種訊號未受損的狀態，代表訊號線上訊號的質量。

2.1延遲

延遲是指訊號在PCB的導線上以有限的速度傳輸，並且訊號從發送端發送到接收端，在此期間存在傳輸延遲。 訊號的延遲將影響系統的定時，傳輸延遲主要取決於導線的長度和導線周圍介質的介電常數。

在高速數位系統中，訊號傳輸線的長度是影響時鐘脈衝相位差的最直接因素。 時鐘脈衝的相位差是指同時生成的兩個時鐘訊號，它們到達接收端的時間不同步。

時鐘脈衝相位差降低了訊號邊緣到達的可預測性。 如果時鐘脈衝相位差過大，則在接收端將產生錯誤訊號。 如圖1所示，傳輸線延遲已成為時鐘脈衝週期的重要組成部分。

2.2反射

反射是子傳輸線上的回波。 當訊號延遲時間（延遲）遠大於訊號過渡時間（過渡時間）時，必須將訊號線用作傳輸線。 當傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不匹配時，部分訊號功率（電壓或電流）被傳輸到線路並到達負載，但部分訊號功率被反射。

如果負載阻抗小於原始阻抗，則反射為負； 否則，反射為正。 佈線幾何形狀的變化、不正確的接線端接、通過連接器的傳輸以及電源平面中的不連續性都可能導致此類反射。

2.3同步開關雜訊（SSN）

當PCB上的多個數位信號同步切換時（如CPU的數据總線、地址匯流排等），由於電源線和地線的阻抗，會產生同步切換雜訊，並且地線（接地炸彈）上也會出現地平面反彈雜訊。

SSN和地面反彈的强度也取決於I/O集成電路的特性, 感測器的阻抗 PCB電源 層和平面層, 以及PCB上高速設備的佈局和佈線.

2.4 Crosstalk (Crosstalk)

串擾是兩條訊號線之間的耦合，訊號線之間的互感和電容會線上路上產生雜訊。 電容耦合產生耦合電流，電感耦合產生耦合電壓。 串擾雜訊源於訊號線網絡之間、訊號系統和配電系統之間以及過孔之間的電磁耦合。

交叉繞組可能導致假時鐘、間歇性數據錯誤等，從而影響相鄰訊號的傳輸質量。 事實上，我們不需要完全消除串擾，只要將其控制在系統能够承受的範圍內即可實現目標。

PCB層的參數、訊號線間距、驅動端和接收端的電力特性以及基線終止方法都對串擾有一定的影響。

2.5過沖和欠沖

過沖是指第一個峰值或穀值超過設定電壓時。 上升沿是指最高電壓，下降沿是指最低電壓。 下沖是指下一個穀值或峰值超過設定電壓。

過沖會導致保護二極體工作，導致其過早失效。 過多的下沖可能會導致錯誤的時鐘或數據錯誤（誤操作）。

2.6振鈴和舍入

振盪現象是重複的過沖和欠沖。 訊號的振盪是由線路過渡的電感和電容引起的振盪，屬於欠阻尼狀態，周圍振盪屬於過阻尼狀態。

振盪和環繞振盪也是由反射等多種因素引起的。 振盪可以通過適當的終止來减少，但不可能完全消除。

2.7地面反彈雜訊和回波雜訊

當電路中存在大電流浪湧時，它將導致接地層反彈雜訊。 例如，當大量晶片輸出同時開啟時，大量瞬態電流將流過晶片和電路板的功率平面。 晶片封裝和電源-平面的電感和電阻將引起功率雜訊，從而在真實接地層（OV）上產生電壓波動和變化。 這種譟音會影響其他部件的動作。

同時，負載電容的新增、負載電阻的降低、接地電感的新增以及開關器件數量的新增都會導致接地反彈的新增。

由於地平面的劃分（包括電源和地），例如，地平面分為數位地、類比地、遮罩地等，當數位信號進入類比地區域時，會產生地平面回波雜訊。

類似地, 電源平面也可分為2個.5V電壓電壓, 3.3伏, 5V, 等. 因此, 在多電壓中 PCB設計, 應特別注意地平面的反彈雜訊和返回雜訊.