信号完整性与高速PCB设计课程报告pdf
高速PCB中信号完整性的分析
汪扬埔
（ 武警警官学院电子技术系 四川 ・ 成都 ６ １ ０ ２ １ ３ ）
摘 要
关键 词
高速 Ｐ Ｃ Ｂ设计 ， 已经成为大型数字系统设计成败的关键 ， 本文从传 输线损耗 、 抖动、 码 间干扰 ３个方面详细
Ｐ Ｃ Ｂ 完整性 分析
文献 标 识 码 ： Ａ
公式如下：
Ｒ ＝ ｐ Ｌ ／ （ ｏ ｈ ’ ） ＝ ｐ Ｌ ｏ （ ２ ∞ｐ ） １ ． ２介 质 损 耗
Ｐ Ｃ Ｂ中信号路径与返回路径会构成一个 电容器 结构 。 如
果 在 高频 条件 下 ， 介质会吸收热量， 所 以它介质为空气 的理想 电容器的电阻是无穷大 的，给定一个 直流 电压， 没有 电流经 过。 但是， 如果给定一个正 弦波 电压 Ｖ ＝ Ｖ 。 ｓ ｉ ｎ （ ３ ６ ｔ ） ， 就会产生一个余弦波 电流通过电容： Ｉ ｅ 口 ｄ Ｖ ／ ｄ ｔ ＝ Ｃ ｏ （ １ ） Ｖｏ ｃ ｏ ｓ （ ￣ ｔ ） 其中 Ｃ 。 是 电容器 电容， （ １ ） 为角频率，ｖ ０ 是正弦波电压振 幅 这个时候 电压和电流相位相差 ９ ０度 ， 因此不会有损耗 。 当 电容器间的介质不再是空气时，换成 的真实的介质材 料会有一定的电阻率 。 在 电容器两端加 电的情况下会有泄露 电流经过， 从而带来损耗。对于大部分介质而言， 往往因为其 很高的 电阻率而 可以使直流损耗忽略不计 。 ２抖动 抖动可 以定义为数字信号在重要时点上偏离理想时间位 置的短期变化 重要时点是指数字信号 的逻辑状态之间的转 换或边沿，具体来讲就是指转换信 号跨过选定的参考 电平或 判定 门限 。 在实际的电路 中， 由于抖动含有随机成分 ， 因此必须使用 统计术语指定抖动 。必须使用 中间值、 标准偏差、 最大值 、 最 小值和峰一 峰值 以及置信 区间和样本总量等指标 ， 才能建立 有意义的、 可重复的测量 。 根据信号 中不 同种类抖动 的特 点以及 产生抖动的原因 ， 总抖动可分为确 定性抖动和随机抖动。其 中， ＤＪ 又可 以分成 数据依赖型抖动 、由于 占空 比失真引起 的抖动和其它有界不 相关抖动 。随着 ＤＤ Ｊ中出现概率的不 同， ＤＤ Ｊ 又可 以分成高 概率 Ｄ ＤＪ 和低概率 ＤＤ Ｊ 。 而Ｂ ＵＪ 按照来源的不同分成三类 ： 电源噪声 引起的抖动 、串扰和其它外界噪声 引起的抖动和周 期性抖动。将 Ｄ Ｃ噪声保持在几个 ｍ Ｖ 内即可减小抖动，进 而可将输出信号的眼图保持在理想状态 ， 从而对 电源 以及时 钟振荡器和缓冲 区实现正确的滤波和去耦 。并且 ， 时钟源必 须具有高稳定性、 低抖动性。 ３码间干扰 对于有限带宽的信道 ，信道上传输 的码元会对随后传输 的码元产生影响。从能量 的角度来讲 ， Ｉ Ｓ Ｉ 可看成是 由于信道 的带宽有限，码元存储于信道上的能量变化滞后于被发送信 号 的变化， 残存的能量会与随后的码元能量叠加 ， 破坏 了码元 波形 的形状 除了信道带 宽有 限的因素外，传输线阻抗的不 连续和端阻抗与传输 线特征 阻抗失配， 都会 引起的 Ｉ Ｓ Ｉ 。 般都会采 用以下一些措施来减小传输线寄生储能元件 引起 的信号振荡： （ １ ） 采用 电流模驱动器来传 输信 号； （ ２ ） 控制信号 的切换时间； （ ３ ） 加入与传输线并行的端 电阻： （ ４ ） 在接 收器前端加入均衡滤波器 。
基于信号完整性分析的高速PCB设计
基于信号完整性分析的高速PCB设计
信号完整性是指电路系统中信号的质量。
如果在要求的时间内，信号能
够不失真地从源端传送到接收端，就称该信号是完整的。
随着半导体工艺的
迅猛发展、IC开关输出速度的提高，信号完整性问题(包括信号过冲与下冲、振铃、反射、串扰、地弹等)已成为高速PCB设计必须关注的问题之一。
通常，数字逻辑电路的频率达到或超过50 MHz，而且工作在这个频率上的电路占整个系统的1／3以上，就可以称其为高速电路。
实际上，与信号本身的频率相比，信号边沿的谐波频率更高，信号快速变化的跳变(上升沿与下降沿)
引发了信号传输的非预期效果。
这也是信号完整性问题的根源所在。
因此，
如何在高速PCB设计过程中充分考虑信号完整性因素，并采取有效的控制措施，提高电路设计质量，是必须考虑的问题。
借助功能强大的Cadence公司SPEECTRAQuest仿真软件，利用IBIS模型，对高速信号进行信号完整性仿真分析是一种高效可行的分析方法，可以发现
信号完整性问题，根据仿真结果在信号完整性相关问题上做出优化的设计，
从而达到提高设计质量，缩短设计周期的目的。
1 应用设计实例
本文设计的控制单元在整个系统中的功能是将地面接收装置接收到的编码
信号传回给主站数据处理中心。
具体工作过程是，首先存储上位机数据，然
后通过误码率测试与计算，选择一条误码率最低的路径作为数据传输路径，
最后将存储的上位机数据通过该路径传输到主站数据处理中心进行处理。
经。
高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计
高速数模混合电路信号完整性分析与PCB 设计作者：李莎来源：《电子技术与软件工程》2016年第12期随着科技持续发展，各种电子产品不断涌现，逐渐走上“高集成度、高可靠性”等道路。
在电路板发展中，高速数模混合电路成为新的发展趋势，被广泛应用到不同领域、行业中。
由于高速数模混合 PCB 不同于传统的PCB，需要灵活运用新的方法来合理设计 PCB，确保高速数模混合电路的稳定运行，其信号具有其完整性，更好地发挥自身的作用。
【关键词】PCB设计高速数模混合电路信号完整性分析在电子系统时钟频率逐渐提高的过程中，电路信号完整性问题不断显现，比如，出现错误的时序，传输线的反射不正确，严重影响电路系统的正常运行，而 PCB 上的各线路会更加紧凑，出现串扰噪声，信号传输效果较差。
对于高速数模混合电路来说，需要结合线路运行的实际情况，合理设计 PCB，解决电路信号的完整性问题，不断提高信号传输的质量，为不同行业、领域发展提供重要的信息资源，促进其发展。
1 高速数模混合电路信号完整性分析信号完整性就是在信号线上，信号的质量。
想要保证信号的完整性，必须满足一定的要求，要确保空间的完整性，能够满足电路相关的要求，比如，最大输入的低电平要求。
还要确保时间上的完整性，要能够有效维护电路的最小维持时间等。
1.1 影响电路信号完整性的因素分析就信号完整性而言，受到多种因素的影响。
一是：延迟。
就信号而言，其传输要借助PCB 板的导线，在传输过程中，会出现传输延迟现象。
一旦传输的信号延迟，电路系统时序将会受到影响，进而影响信号的完整性。
就传输延迟来说，会受制于导线的长度、周围介质的介质常数。
二是：反射、串扰噪声。
在电路系统运行中，如果信号线网出现过孔、弯曲等问题，将会产生反射噪声。
如果电路信号网、电源分布系统等之间出现电磁耦合，将会产生串扰噪声，都会干扰信号，影响信号的传输。
1.2 处理电路信号完整性问题的关键1.2.1 电源分布在设计高速数模混合电路板过程中，要全方位分析电源分布网络。
高速PCB设计中的信号完整性和传输延时分析
第19卷 第2期 天 中 学 刊 Vol ．19 No ．22004年4月 Journal of Tianzhong Apr ．2004收稿日期：2004-02-10作者简介：冯志宇（1972− ），男，河南正阳人，电子科技大学电子工程学院信号与信息处理专业硕士研究生．高速PCB 设计中的信号完整性和传输延时分析冯志宇（电子科技大学，四川 成都 610054）摘 要：信号完整性问题及由传输延时引起的时序问题是高速PCB 设计中的主要问题，借助功能强大的Cadence/SpecctraQuest 仿真软件，对高速信号线进行布局布线前仿真，可以发现和解决这些问题，从而缩短设计周期．关键词：信号完整性；时序；仿真 随着IC 工艺的提高，驱动器的上升沿和下降沿越来越陡，由原来的十几ns 提高到几ns ，有的甚至达到几ps ，同时电子系统的时钟频率也在不断提高．对于低频电路设计而言，器件管脚间的逻辑连接可以看成是简单的线迹互联．但对频率超过50 MHz 的高频电路，互连关系必须按传输线考虑，由此产生的信号完整性问题及时序问题成为高速PCB 设计中的主要问题．借助功能强大的Cadence/SpecctraQuest 仿真软件对高速信号线进行布局布线前仿真，可以发现和解决这些问题，从而缩短设计周期．1 高速移动接入系统的信号完整性问题信号完整性（Signal Integrity ）简称SI ，是指信号在信号线上的传输质量，主要包括反射、振荡、地弹、串扰等性能参数．信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值．信号完整性是由板级设计中多种因素共同决定的．图1所示是我们所设计的高速移动接入系统，其中虚线框中为该系统高速数据通路的中频和基带部分．A/D 部分通过采样、量化、编码将模拟中频信号转换成数字中频信号，然后利用DDC 部分对其进行混频（解调）、抽取、滤波，将中频带通信号混频成基带信号；DSP 模块负责完成基带信号的调制/解调、数据交织/解交织、数据编码/解码、数据纠错和检验、数据加密/解密、语音压缩/解压缩等；图1 高速移动接入系统框图DUC 和D/A 部分则是DDC 和A/D 部分的逆过程．该系统的中频部分既有频率较高的数字信号又有敏感度很高的模拟信号，基频部分DSP 与SDRAM 之间的数据交换速率高达100 Mb/s ，由此产生的信号完整性及时序问题十分突出．在高速PCB 设计中，信号完整性问题是系统能否正常工作的关键因素之一．因此，有必要在布线前利用仿真软件对该高速系统进行关键信号线的仿真．当信号完整性满足要求后就可以进行时序分析中图分类号：TN405.97文献标识码：A文章编号：1006－5261(2004)02－0018－04了，否则还需调整布局，重新仿真．图2、图3、图4分别是用Cadence/SpecctraQuest 仿真软件得到的该系统中SDRAM 的时钟（SDCLK ）、数据写和数据读信号的仿真波形，可以看出这3个典型信号都能够满足波形完整性的要求．2 高速移动接入系统中的时序关系2.1 系统时序分析对于异步时序电路，往往可以灵活地设置建立、选通和保持时间，以满足系统时序要求．而同步时序电路必须从设计上留有充足的建立和保持时间，才能保证系统正常工作．高速移动接入系统中，DSP 与SDRAM 互连的关键信号线有时钟线SDCLK 、数据线D 47∼16和地址线ADDR 23∼0．由于系统工作频率高达100 MHz ，故这些信号线的互连延时是不可忽略的，它对信号的建立和保持时间起着至关重要的作用．仿真应该着重解决这些线网的拓扑问题．布线延时与布线迹的阻抗及布线长度有关，高阻抗线迹能够减少信号的跳变时间．其他因素如驱动特性和负载特性也会影响布线延时．下面在考虑布线延时的基础上，推导DSP 与SDRAM 互连的高速信号线间的时序约束关系．二者间互连的高速信号线时序及延时关系如图5所示．其中，P Clock ，T 表示时钟周期，D Clock ，t 表示时钟布线延时，D(max)Data ，t 和D(min)Data ，t 分别表示数据传输的最长延时和最短延时，isu(DSP)t ，ih(DSP)t 和oh(DSP)t 分别表示DSP 的输入建立时间、输入保持时间和输出保持时间，isu(SDRAM)t ，ih(SDRAM)t 和oh(SDRAM)t 分别表示SDRAM 的输入建立时间、输入保持时间和输出保持时间．(a) SDCLK(out from DSP)，(b) SDCLK(into SDRAM)， (c) Data(out from SDRAM)，(d) Data(into DSP)， (e) Data(out from DSP)，(f) Data(into SDRAM)图5 高速信号线时序及延时关系读建立时间应满足 isu(DSP)ACC D(max)Data D Clock P Clock t t t t T ≥，，，−−−， (1) 读保持时间应满足 ih(DSP)(min)D Data D Clock oh(SDRAM)t t t t ≥，，++，(2)写建立时间应满足DDATO (max)D Data D Clock P Clock t t t T −−+，，，isu(SDRAM)t ≥，(3) 写保持时间应满足 ih(SDRAM)D Clock (min)D Data oh(DSP)t t t t ≥，，−+，(4)由(1)式，可得 (max)D Data isu(DSP)ACC D Clock P Clock ，，，≥t t t t T −−−， (5) 由(4)式，可得(min)D Data D Clock oh(DSP)ih(SDRAM)，，≤t t t t +−， (6)由(5)，(6)式，可得isu(DSP)ACC D Clock P Clock t t t T −−−，，D Clock oh(DSP)ih(SDRAM)，≥t t t +−，图2 时钟信号的仿真波形图3 数据写信号的仿真波形图4 数据读信号的仿真波形)a ()b ()c ()d ()e ()f (进而有+−2)(ACC P Clock D Clock t T t ，，≤2)(isu(DSP)oh(DSP)ih(SDRAM)t t t −+−．(7)由(2)，(3)式，可推导出 +−2)(oh(SDRAM)ih(DSP)D Clock t t t ≥，2)(P Clock isu(SDRAM)DDATO ，T t t −+，(8)由(7)，(8)式，可推导出+−−−++−2)(2)()ih(SDRAM ACC P Clock D Clock P Clock isu(SDRAM)DDATO oh(SDRAM)ih(DSP)t t T t T t t t t ，，，≤≤．2)(isu(DSP)oh(DSP)t t −(9)可见，时钟线迹的延时必须在一定范围内波动，才能满足DSP 与SDRAM 间数据交换的时序要求，不能太长也不能太短．较短的延时可以增加读建立时间，却缩短了读保持时间．另外，一旦时钟线迹的延时确定（即时钟走线确定），则数据线的延时必须同时满足读写的时序要求，才能保证正确的读写． 2.2 时序关系在本系统中的应用该系统设计中DSP 采用ADI 公司的ADSP21161芯片，SDRAM 采用MICRON 公司的MT48LC4M16B2-75芯片．DSP 与SDRAM 间的数据交换速率可达100 MHz b/s ，是PCB 设计关注的重点．为保证系统能正常、可靠和稳定地工作，必需进行布线前时序仿真．MT48LC4M16B2-75芯片和ADSP21161芯片的参数如下：ns 8.2isu(DSP)=t ，ns 0.3ih(DSP)=t ，ns 2.1oh(DSP)=t ，ns 5.1isu(SDRAM)=t ，ns 8.0ih(SDRAM)=t ，ns 2.2oh(SDRAM)=t ，ns 10P Clock =，t ，ns 3.7ACC =t ，ns 5.7DDATO =t ．将上述参数代入(9)式可得ns 8.0ns 0D Clock ≤≤，t ．根据实际布局情况取ns 5.0D Clock =，t ，则由不等式(1)∼(4)得ns 7.0ns 3.0D Data ≤≤，t ．任取D16-47中的一根数据线D35，分别取ns 7.0ns 5.0ns 3.0D Clock ，，，=t 做读写扫描仿真，结果如图6所示．其中(a)，(c)，(e)分别为ns 7.0ns 5.0ns 3.0D Clock ，，，=t 时数据线D35的读波形，(b)，(d)，(f)分别为ns 7.0ns 5.0ns 3.0D Clock ，，，=t 时数据线D35的写波形．可见在ns 7.0ns 3.0D Data <<，t 范围内数据的读写波形符合完整性要求．把ns 7.0ns 3.0D Data ≤≤，t 作为D40的布线拓扑规则加到Dd16-47进行规则驱动下的布线，布线后D16-47的延时见图7，由图7可知，ns 3282.0D(min)Data =，t ，ns 6090.0D(max)Data =，t ，能够满足ns 7.0ns 3.0D Data ≤≤，t 的要求．制板后用示波器观察到的数据线D35的读波形如图8所示． 图7 布线后数据线的传输延时分析图片图6 数据线D35的仿真波形(b)(a)(c)(d)(e)(f) 图8 制板后用示波器观察到的数据线D35的读波形信号完整性问题和由布线延时引起的时序问题，是高速系统板级实现需要着重解决的问题，利用Cadence/SpecctraQuest仿真软件进行板前和板后仿真，是解决这些问题的有效方法．参考文献： [1] 杨小牛，楼才义，徐建良．软件无线电原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，2002．100∼159．[2] 曾峰，侯亚宁，曾凡雨．印制电路板（PCB）设计与制作[M]．北京：电子工业出版社，2002．85∼107．[3] Johnson H W．High-Speed Digital Design[M]．PrenticeHall PTR，1993．97∼121． 〔责任编辑 张继金〕 Analysis of Signal Integrity and Propagation Delayin High-Speed PCB DesignFENG Zhi-yu（University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054, China）Abstract: In the high-speed PCB design, the main problems are signal integrity and time sequence caused by propagation delay. We can find out and solve these problems, when simulating high speed signal line in virtue of Cadence/SpecctraQuest Before layout and routing trace which helps to shorten the design period.Key words: signal integrity; time sequence; simulation（上接第9页）Note to the Infinitude Calculation of InfinitesimalMA Ge, SONG Su-luo（Nanyang Institute of Technology, Nanyang Henan 473004, China）Abstract: By analyzing and discussing the sum sequence and product sequence of countable infinite infinitesimal sequence and the sequence of positive infinity power of infinitesimal sequence and positive infinitesimal sequence power of non-negative infinitesimal sequence, the understanding on infinitesimal are deepened.Key words: infinitesimal; infinite sum; infinite product; infinity power。
PCB信号完整性分析与设计
PCB信号完整性分析与设计在电子设计领域，信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指电路系统中信号的质量和稳定性。
PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）作为电子设备的基础组件，其信号完整性分析与设计直接影响到整个电子设备的工作性能。
本文将探讨PCB信号完整性分析的重要性以及设计策略。
在现代电子系统中，高速数字信号的传输越来越普遍，对PCB信号完整性的要求也越来越高。
如果信号完整性得不到保障，会导致一系列问题，如电磁干扰（EMI）、电源噪声、时序错误等，严重时可能导致系统崩溃。
阻抗不连续：当信号在PCB走线传输时，如果阻抗突变，会导致信号反射，从而影响信号完整性。
串扰：相邻信号线之间的电磁耦合会导致信号间的干扰，影响信号的纯净性。
电源噪声：电源的不稳定或噪声会影响数字系统的时序和稳定性。
接地问题：不合理的接地方式会导致信号间的干扰和电源噪声的引入。
合理规划信号走线：根据信号的特性和频率，选择合适的走线方式，如并行走线、差分走线等，以减小信号间的干扰。
优化阻抗匹配：通过计算和控制阻抗，使信号在传输过程中的反射最小。
减少串扰：通过增加间距、使用屏蔽罩等方式，减小信号间的电磁耦合。
电源和接地设计：采用稳定的电源系统和合理的接地方式，以减小电源噪声和信号干扰。
使用去耦电容：在关键电源和接地节点处使用去耦电容，可以有效吸收电源噪声和减少信号干扰。
信号时序控制：通过合理的设计，保证信号的时序正确，避免因时序错误导致的系统不稳定。
仿真与优化：使用专业的仿真工具对设计进行仿真，根据仿真结果对设计进行优化。
PCB信号完整性分析与设计是保证现代电子系统性能的重要环节。
通过对影响信号完整性的主要因素进行分析，我们可以针对性地提出有效的设计策略。
在实施这些策略时，需要综合考虑系统的复杂性和实际可操作性，确保设计的实用性和有效性。
随着电子技术的发展，我们需要不断地更新和改进信号完整性设计和分析的方法，以满足更高性能、更低功耗、更小体积的电子设备需求。
基于信号完整性分析的高速PCB设计
Ｌｉ ａｎｇ Ｌｏ ｎｇ
（ ｎ ｔｔ ｔ ｆＳ ｇ ａ ａ ｔ ｒｎ ｎ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ，Ｎｏ ｔ ｉｅ ｓｔ ｆＣｈ ｎ ，Ｔａｙ ａ ３ ０ １ Ｉ ｓｉｕ ｅｏ ｉ ｎ ｌＣ ｐ ｕ ｉ ｇ ａ ｄ Ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｒ ｈ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｉａ ｉ ｕ ｎ ０ ０ ５ ，Ｃ ｉ ａ ｈｎ ）
计 ， 而 达 到提 高 设 计 质 量 ， 短 设 计 周 期 的 目的 。 从 缩
求 的时 间 内 ， 号 能 够 不 失 真 地 从 源 端 传 送 到 接 收 端 ， 信 就
称 该 信 号 是 完 整 的 ］ 随 着 半 导 体 工 艺 的 迅 猛 发 展 、ｃ 。 Ｉ
１ 应 用 设 计 实 例
大地 提 高 了 电路 设 计 质 量 ， 缩短 了研 发 周 期 。本 文 主要 介 绍反 射 和 串扰 仿 真 。 关 键 词 ：信 号 完整 性 ； 速 电路 ； 扑 结 构 高 拓 中 图分 类 号 ：ＴＮ７ ０ １ 文 献 标 识码 ：Ａ
高速PCB设计中的信号与电源完整性研讨
远端上串扰的前后对比1
• 远端上串扰如下图所示：
未处理：
处理后：
峰-5
远端上串扰的前后对比2
1082
70
1. 图中长方体柱代表串扰电压的大小
图中串扰电压的单位为毫伏
213 114 34
2. 从左往右以此为处理串扰的步骤
从图中可知，串扰问题有较大的改善
25
PCB设计中的信号/电源完整性分析 附件1——课程设计作业及评分标准
一. 推荐软件 1. HyperLynx的LineSim及BoardSim; 2. Cadence的SiWave/SigXplorer。 二. 课程设计要求 在设计好PCB版图的基础上，对第8讲反射和第10讲串扰现 象，在不同互连情况下的SI进行分析。 提交不同互连设计下SI仿真分析报告；用PPT进行报告。
7
对整板进行批处理
点击图标
First
如右图进行设置，只选择 “检测串扰项”
Second Third
点“下一步” 选择串扰的阈值为 125mv 计算方法：5V×5%÷2 =125mv
点“下一步” 修改上升边为1ns, 点击“完成”，生成报告文件
Creatvity
8
对整板进行批处理后的报告文件
报告文件
1.最大允许的串扰………..125mv 2. 受害线网 NetIC_23
-进攻线网NetIC_21………..476mv
3. 受害线网 NetIC_21 -进攻线网NetIC_23……….476mv
9
对指定线网进行仿真1
① 从报告文件中发现线网NetIC_21和NetIC_23之间存 在严重串扰，故选择NetIC_21作为受害线网，指定对 其进行详细仿真。
高速PCB电路板的信号完整性设计
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 iagramo f data acqu isition system3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臵 . 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. 在主要芯片确定位臵后, 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臵, 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. 走线宽度越细, 间隔越小, 信号间串扰就越大, 其能传送功率越小. 因此, 走线尺寸的选择必须考虑到各方面的因素. 在设计图1所示的数据采集系统电路板时布线设计遵循以下原则:1)应尽可能地减少高速电路器件管脚间引线的弯折, 采用45∀折线, 减少高频信号对外的反射和相互间的耦合.2)尽可能地缩短高频电路器件管脚间的引线以及管脚间引线的层间3)高频数字信号走线应尽可能远离模拟电路和控制电路.同时, 在设计图1所示的数据采集系统电路板时, 考虑到实际情况, 为了保证高速下的精确性, 其模拟输入与时钟为差分形式. 因为差分信号幅度相等且方向相等, 所以两条信号线产生的磁场彼此互相抵消, 因此能有效降低EM I[ 3] . 差分线的间距往往会导致差分阻抗的变化, 差分阻抗的不一致将严重影响信号完整性及时延. 为此, 实际差分布线应遵循以下原则[ 4] :1)差分信号的两条信号线相互间长度差必须控制在信号上升沿时间的电气长度的20%以内;2)差分走线必须满足背靠背原则, 且在同一布线层内;3)差分布线的线间距至少大于等于1 倍以上线宽; 而差分走线与其他信号线间间距应大于三倍的线宽.综合上述因素, 在后续仿真分析时, 对于ADC 的输入差分线宽设为8m il 差分线间距设为8m il 差分线长度差设为30m il系统中, 电源、地线的布线也同样至关重要, 如设计不合理容易引起干扰, 致使产品性能下降. 在对电源及地线布线时, 应尽量把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度, 以保证产品的质量. 实际设计时, 对电源、地线的处理遵循以下原则:1)电源、地线间加退耦电容; 适当加宽电源、地线的宽度. 使地线、电源线、以及信号线之间的关系满足:地线宽度> 电源线宽度> 信号2)对数字电路采用较宽的地导线以构成回路, 作为地网来使用;3)采用大面积铺铜方式处理顶层、底层, 用以增强抗噪能力.总结：信号完整性设计贯穿于高速PCB 设计全过程, 为保证良好的信号完整性, 高速PCB设计要遵循设计原则. 本文从叠层规划、布局设计及布线要求等方面总结了信号完整性设计的一般方法. 为进行仿真设计提供良好的理论基础。
浅析信号完整性及其在高速PCB设计中的应用
浅析信号完整性及其在高速PCB设计中的应用摘要：信号完整性是保证信号传输的可靠性和稳定性的关键要素，它在高速PCB设计中起着重要作用。
本文从信号完整性的概念、实现方法、影响因素和优化方法四个方面进行探讨，并结合实际案例，分析了信号完整性在高速PCB设计中的应用。
关键词：信号完整性；高速PCB设计；电磁兼容；时钟分配正文：一、信号完整性的概念信号完整性是指在信号传输过程中，信号波形、电压、时序等方面都不会发生失真、损耗、干扰等现象，保证信号能够稳定可靠地到达终点设备的能力。
信号完整性具有极高的重要性，一旦信号完整性受到破坏，就可能导致通信错误、丢失数据、系统崩溃等严重后果。
二、信号完整性的实现方法为了保证信号完整性，需要在PCB设计阶段进行针对性的设计和优化。
信号完整性的实现方法包括：布线规划、时钟分配、地电位规划、电磁兼容等。
其中，地电位规划和电磁兼容是防止干扰的重要手段，布线规划和时钟分配则是保证信号传输稳定性的重要手段。
三、影响信号完整性的因素信号完整性受到多种因素的影响，例如：信号源、传输线、接收器、环境干扰等。
其中，重要的因素包括：传输线长度、阻抗匹配、电气长度、反射、时钟抖动等。
这些因素都会直接或间接地影响信号完整性，因此需要在设计中进行充分考虑。
四、优化信号完整性的方法为了优化信号完整性，需要在各个方面进行充分的设计和优化。
具体方法包括：合理设计PCB布局、采用适当的信号层次、保证信号走线的匹配和对称性、增加信号层次的引脚数量等。
此外，还需要注意时钟分配的稳定性、地电位规划的合理性、单个信号层的布线等。
五、信号完整性在高速PCB设计中的应用在高速PCB设计中，信号完整性显得尤为关键。
无论是高速总线还是复杂芯片组件，都需要考虑信号完整性的影响因素。
例如，时钟分配需要保证传输的稳定性和抖动率的最小化，同时需要进行细致的布线规划；地电位规划需要保证清晰的电位分布，以避免信号发生干扰；电磁兼容需要采取合适的屏蔽和屏蔽技术，以保证信号的纯洁性。
信号完整性分析及其在高速PCB设计中的应用
生 的回波 。信 号通 过传输线的引导在将部分信 号功率传输给 负载 的同时，还可能 由于阻抗的 不 匹配特性 ，一部 分的信 号能量可 以将其反射 会源端 当中。如果阻抗匹配得当，那么信号将 全部传递给 负载 ，信号反射现象也将不会 出现 。
与传 统的 ＰＣＢ设计 方法 不同，基 于信号 完 整 性 分 析 的 ＰＣＢ 设 计 在 进 行 ＰＣＢ 板 设 计 之 前，要建立相应的高速数字信号传输 的信 号完 整性 模型 。根 据 ＳＩ模 型对 信 号完整性 问题进 行提前 的分析 ，然后根据计算结果对元器件 的 类型和相关参数进行确定 ，并将其作为 电路设 计的依据 。
在设 计 电路 的时候 ，需要通过 ＳＩ模型对 设计方案进行信号完整性分析 ，并综合元器件 与 ＰＣＢ板 参数 的公差范 围和版 图设计 中可 能 的参数变化 ，然后计算解空 间。在完成对 电路 的设计后 ， 当元 器件 参数 在 一定 范围 内变化 时，元器件的布局和信号线 的布线处于灵活状
３结 束语
综 上所 述， 高速 电路设 计是 一个 较 为复 杂的设计流 程，而随着系统设计逐渐区域复杂 化和 多样化 ，信号完整性特点也将越来越凸显 出来 。因此 ，在 设计的初 期必须要合理选择器 件 ，不能一 味追求 高性 能和 高速率 。
：不是 有某 一个特定的因素所导致 的，而是 ｌ级设 计中多方面的因素共同导致的 。以下 方 面 就 是 影 响信 号 完整 性 的 因 素 。
１．３振 铃
振 铃 的主要 表现 就是 信 号反复 出现 过冲 或下冲 现象，通常是处于逻辑 电平 门限部位抖 动 ， 并 且震 荡 成 为 欠 阻 尼 的 状 态 。信 号 之 上 的 振铃现 象主要是由于传输线上的过渡和寄生 电 感与 电容所 引起的收端与源端阻抗失配所导致 的 。
高速数字系统PCB电路中的信号完整性设计方案
现在的高速数字系统的频率可能高达数百兆Hz，其快斜率瞬变和极高的工作频率，以及很大的密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。
破坏了信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃。
因此，信号完整性问题已经越来越引起高速设计人员的关注。
1 信号完整性问题及其产生机理信号完整性SI（Signal Ingrity）涉及传输线上的信号质量及信号定时的准确性。
在数字系统中对于逻辑1和0，总有其对应的参考电压，正如图1（a）中所示：高于ViH的电平是逻辑1，而低于ＶiL的电平视为逻辑0，图中阴影区域则可视为不确定状态。
而由图1（b）可知，实际信号总是存在上冲、下冲和振铃，其振荡电平将很有可能落入阴影部分的不确定区。
信号的传输延迟会直接导致不准确的定时，如果定时不够恰当，则很有可能得到不准确的逻辑。
例如信号传输延迟太大，则很有可能在时钟的上升沿或下降沿处采不到准确的逻辑。
一般的数字芯片都要求数据必须在时钟触发沿的tsetup前即要稳定，才能保证逻辑的定时准确（见图1（c））。
对于一个实际的高速数字系统，信号由于受到电磁干扰等因素的影响，波形可能会比我们想象中的更加糟糕，因而对于tsetup 的要求也更加苛刻，这时，信号完整性是硬件系统设计中的一个至关重要的环节，必须加以认真对待。
一个数字系统能否正确工作其关键在于信号定时是否准确，信号定时与信号在传输线上的传输延迟和信号波形的损坏程度有关。
信号传输延迟和波形的原因复杂多样，但主要是以下三种原因破坏了信号完整性：（1）反射噪声其产生的原因是由于信号的传输线、过孔以及其它互连所造成的阻抗不连续。
（2）信号间的串扰随着印刷板上电路的密集度不断增加，间的几何距离越来越小，这使得信号间的电磁已经不能忽略，这将急剧增加信号间的串扰。
（3）电源、地线噪声由于芯片封装与电源平面间的寄生和的存在，当大量芯片内的电路和输出级同时动作时，会产生较大的瞬态，导致电源线上和地线上的电压波动和变化，这也就是我们通常所说的地跳。
高速数字pcb板设计中的信号完整性分析
• 73•念，建立并完善高校档案服务功能。
高校档案信息化管理平台建立时，应结合客户的多元化需求，突破传统管理理念，更新高校档案管理理念进行规范操作。
应用云计算理念及技术时，应实现档案数据资源的统一整理，且为用户提供统一的检索服务方式。
这需要高校档案信息管理部门充分运用区域类信息数据，实现档案信息数据资源的集中化管理。
通过依据相关标准，使得档案信息检索界面和存储库有效结合，并在调配存储下丰富云存储服务器的资源。
更重要的是，云存储服务器资源丰富的同时，要为用户提供精准的检索率，以便于用户可以在最短的时间得到最有价值的档案信息。
高校档案信息化管理时，在云计算技术下进行资源合理配置，在统一化档案信息平台上虚拟化处理各项资源和功能，这就提升了高校档案信息化管理水平，也完善了高校档案服务功能，推动了高校教学事业的快速发展。
3.3 高度重视档案数据隐私问题，增强高校档案数据的安全性云计算在高校档案信息化管理中的应用，应高度重视档案数据隐私问题，不断增强高校档案数据的安全性。
这主要是因为云计算在提供便利的同时，也难免会存在信息泄露的安全问题。
尤其是高校档案信息管理，更应避免档案信息的安全问题，才能确保高校的长远发展。
从技术层面而言，高校档案信息化管理中，应格外重视云计算的应用过程，在云计算技术的应用中增强隐私保护的功能，对档案管理平台的在线访问机制进行身份验证，避免不法用户窃取档案信息。
除此之外，还可以运用信息数据恢复技术和数据挖掘技术，把可信计算与云计算融合，建立起高可靠性的云计算档案信息化管理平台（张倩，高校档案馆实践云计算的策略与方法：黑龙江档案，2018）。
从法律角度而言，云计算下高校档案信息化管理过程中，应在网络隐私范围内增加高校档案中的各类信息数据，并在规范管理法律的约束下为高校档案信息化管理提供安全保障。
增强高校档案数据的安全性，就要体现出高校档案数据信息服务的灵活性，在完全开放云计算系统的访问接口时，应从增强安全角度确保用户信息的高可用性，且增强用户业务和云平台服务的连续型，并以容错备份方式为用户的数据提供安全保障。
高速PCB设计中的信号完整性问题研究
高速PCB设计中的信号完整性问题研究在现代电子领域中，高速PCB设计已经成为许多电子产品中不可或缺的一部分。
高速信号的传输要求电路板具备优秀的信号完整性，以确保数据的可靠传输和最小的信号失真。
本文将研究高速PCB设计中的信号完整性问题，并探讨解决这些问题的方法。
一、高速信号与信号完整性在开始讨论问题之前，我们首先需要了解什么是高速信号以及什么是信号完整性。
高速信号是指在很短的时间内传输的信号，其频率通常在GHz甚至更高。
而信号完整性则指的是信号在传输过程中能保持其原始形态和质量，不被噪声、交叉干扰和衰减等因素所破坏。
二、信号完整性问题的原因和影响在高速信号传输中，存在一些因素可能导致信号完整性问题的出现。
其中主要包括：1. 端口阻抗不匹配：当信号源和接收器之间的阻抗不匹配时，会产生反射和信号损耗，从而影响信号完整性。
2. 环境噪声和干扰：高速信号传输过程中会受到来自其他信号线、电源线、地线以及外部噪声等的干扰，可能导致信号畸变和错误。
3. 时序问题：在高速信号传输过程中，时钟同步、时序延迟和抖动等问题可能导致信号完整性的破坏。
这些信号完整性问题的出现将会对系统产生严重的影响，包括但不限于：数据错误、时序偏移、抖动增加以及系统性能下降等。
三、解决高速PCB设计中信号完整性问题的方法为了解决高速PCB设计中的信号完整性问题，我们可以采取以下方法：1. 端口阻抗匹配：确保信号源和接收器之间的阻抗匹配，通常采用合适的终端电阻来实现。
同时，还可以使用阻抗转换器、阻抗匹配网络等器件来处理阻抗不匹配问题。
2. 布局优化：通过良好的布局设计，可以减少信号线的长度、交叉干扰以及信号反射等问题。
例如，可以采用差分信号传输、避免并行走线、合理规划地面和电源电平等。
3. 信号层分离与引导：通过合理划分信号层和地平面，可以减少信号线之间的电磁干扰，并提高信号传输的可靠性。
同时，可以利用电源引导和地引线来降低电磁辐射和串扰。
高速PCB设计中信号完整性的仿真与分析经验
用 S igxp软件提取的布线前拓扑图如图 3所示 。
在获得器件 IB IS仿真模型后 , 只需改变传输线 阻抗参数 、电阻值 、信号传输速率等 , 通过仿真就可 得到不同的信号波形以及对应的反射参数 , 找出合 适的传输线阻抗 、电阻值以及信号速率 , 从而得到信 号走线的长度与宽度 。另外 , 选择电阻匹配的方式 有多种 , 如源端端接 、并行端接等 , 布线策略也有不 同 , 如星型 、菊花链型 、自定义型等 , 这些方式的选择 都可通过电路仿真根据仿真结果来确定 。
Ab stract:Such signal in tegrity(SI) issue as tim ing, reflection, cro sstalk, ringing in h igh speed PCB design is discussed. The sim ulation and analysis of a PCB o f AD /DAC m odu le w ith the samp ling rate o f 125MH z a re g iven by using SPECCTRAQuest and S igxp from CADENCE. The p lacem ent and rou ting in high speed PCB are contro led by proper constra in ts according to the resu lt o f pre - rou te and post - route sim ulation. The signal integrity of high speed circu it is assured in a ll steps. Key w ord s:high speed PCB;signal in tegrity(S I);EDA too l;sim ula tion;ana ly sis
如何实现高速PCB设计的信号完整性
信号完整性(SI)问题正成为数字硬件设计人员越来越关注的问题。
由于无线基站、无线网络控制器、有线网络基础架构及军用航空电子系统中数据速率带宽增加，的设计变得日益复杂。
目前，芯片间高速串行链接已经获得广泛应用，以提高整体吞吐性能。
处理器、及数字信号处理器可相互传输大量数据。
此外，该数据可能必须从板发出，通过背板传输至交换卡，而交换卡可将数据发送至机箱内的其他卡或“系统”内的其他地方。
支持RadIO的交换可实现这些不同组件之间的互连，并广泛用于满足这些应用的实时带宽需求。
本文主要探讨涉及高速接口设计(RapidIO交换的主要功能支持这些高速接口设计)的信号完整性难题以及其他相关事项，优化RapidIO交换的功能旨在实现高速设计中较高的信号完整性。
高速接口设计难题信号质量对于系统的各个方面均非常重要。
对于串行RapidIO而言，信号质量通过接收眼图的大小进行量化。
接收眼图是一个无限延续的轨迹，其中，波形会随上一个轨迹不断重复。
眼图开得越大，信号质量就越好。
信号质量可能受多方面的影响：信号通道中出现噪声或其他杂乱信号、信号通道差、外部源的传导或辐射、系统本身产生的噪声。
上述所有因素结合在一起会导致接收眼图缩小。
除电路板级问题外，信号完整性亦可能受到连接的源(传输端)及目的地(接收端)的影响。
因此，应在整体系统级的信号完整性中考虑源及目的地的IC特点。
电路板级设计的考虑因素就而言，应考虑的常见因素包括：1．电路板的电源输入、本地调节器的输出及分配2．生成及分配3．退耦4．基础材料5．芯片间连接6．电路板间连接及背板连接7．电路板层叠及阻抗控制8．机架间连接器、电缆及接头工作频率高于300MHz时，适用于较低频率电路板设计的大部分设计最佳惯例均需修改。
必须考虑当波长与电路板尺寸可比时出现的因素。
这不仅适用于基本频率的波长，也适用于构成完整波形的傅立叶(频域)分量。
材料仍可成功用作电路板的基础材料，但在较高频率下，不仅需要考虑材料的介电常数，还需要考虑损耗系数。
高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计
杭州电子科技大学硕士学位论文高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计姓名：李小荣申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：王健20100201摘要现代电子产品正朝着高速、高集成度和高可靠性的方向发展。
带宽高达百MHz甚至GHz 的高速运放与高速数模转换器在视频处理、信号采集、实时检测等电路中的应用越来越多；边沿速率达ps级的高速数字器件已相当普遍。
相应地，高速数模混合电路板（Printed Circuit Board，PCB）成为电路板发展的新趋势。
高速数模混合PCB具有新的特点，传统的PCB设计方法已不能满足需求，这类PCB设计面临着新的挑战，要求采取新的设计方法和手段，来保证产品设计的首件成功率。
信号完整性(signal Integrity，简称SI)是指信号在互连线上的传输质量。
在一个高速互连系统中，信号流经芯片内部连线、芯片封装、PCB布线通道、焊盘、过孔等，任何信号传输路径都有可能引发信号完整性问题，本论文把问题主要集中在板级互连上。
高速系统中，PCB 上高速信号间的互连不再是畅通和透明的，高速的互连线对系统的影响已不能被简单忽略。
互连引起的信号完整性问题可能会导致系统工作不稳定，甚至不能正常工作。
如何处理由高速互连线引起的信号完整性问题，是现代高速混合电路PCB设计能否成功的关键。
信号完整性设计需要贯穿于整个项目设计的各个阶段，需要在设计阶段尽早地解决潜在的问题。
本论文基于高频效应、传输线理论、电磁干扰理论，对反射、串扰、同步开关噪声(SSN)、电磁干扰(EMI)等信号完整性问题进行深入分析，根据理论分析与实际经验给出各种相应问题的解决方法。
笔者通过对一块高速数据采集卡进行信号完整性分析与PCB设计，主要从优化高速模拟电路PCB和高速数字电路PCB的信号完整性出发，来确保各部分的信号质量并减小数模之间的干扰，从而探索出高速数模混合PCB的设计方法和设计流程。
笔者运用Cadence Allegro PCB SI与Ansoft SIwave/Designer SI仿真工具，对采集卡中的关键网络与整板进行仿真分析，通过对高速数字电路中的反射、串扰、同步开关噪声、传导与辐射等进行仿真分析来优化干扰源和干扰途径。
高速PCB的信号完整性分析及应用
第26卷第2期2006年4月桂林工学院学报Journal of Guilin University of Technol ogyVol126No12Ap r12006文章编号:1006-544X(2006)02-0286-05高速PCB的信号完整性分析及应用冼志妙1,朱雪花2,袭著科2(11肇庆学院电子信息工程系,广东肇庆 526061;21华南理工大学电子与信息学院,广州 510640)摘 要:在高速系统设计中,PCB板的走线常呈现传输线效应,因而对系统产生显著的影响.分析了影响信号完整性的定时、反射、振铃、串扰、地反弹等多种因素.介绍了一种应用S Q/Sigxp 进行建模仿真的方法,利用S Q对高速系统的信号完整性分析和波形仿真,很好地解决了传输线效应的问题.最后结合一个实例,阐述了实现信号完整性的具体方法.关键词:信号完整性;建模;PC I控制器;仿真中图分类号:T N43112 文献标志码:A在电路设计中,当信号的互连延迟大于边沿信号翻转阈值时间的20%时,PCB板的走线就会呈现传输线效应,即连线不再是显示集总参数的单纯的导线性能,而是呈现分布参数效应,这种设计称为高速设计[1].高速系统设计是电路设计中的一个难题,在高速系统中,噪声对系统产生显著的影响.高频会产生辐射进而产生干扰.边缘极值的速度可以产生振铃、反射以及串扰.如果不加抑制的话,这些噪声会严重损害系统的性能.传统的高速解决办法是一种问题补救法,在问题出现以前,只能靠设计者的经验来保证设计的可靠性,等样板出来测试以后,才能知道是否存在问题,然后查找问题、解决问题,从头做起,又一个循环开始.这种方法强调设计者的经验与问题诊断技术,并使得设计过程不可控,容易出现设计反复,产品开发周期延长、设计成本增加.因此,这种方法不适合高密度高速电路设计.借助于设计工具来分析控制设计流程是高速设计的必由之路.1 影响信号完整性的若干因素信号完整性(signal integrity,SI)是指信号通过信号线传输后的质量.良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必需达到的电压数值.差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的.影响信号完整性的因素主要包括定时、反射、振铃、串扰、地反弹等[1].111定时定时的问题主要是由延时引起的,过长的延时可导致时序混乱.驱动过载、走线过长都引起延时.在有限的时间预算中要满足所有门延时,包括建立时间、保持时间、线延迟.高速时,传输线上的等效电容、电感会对信号的数字信号切换产生延迟,影响信号的建立时间和保持时间,从而导致接收端无法正确判断数据.112反射反射是信号在传输线上的回波.信号经过传输线将一部分功率传给负载的同时,由于阻抗不匹配,有一部分能量反射回源端.如果阻抗匹配(源端阻抗、传输线阻抗与负载阻抗相等),信号全部传给负载,反射不会发生.113振铃振铃表现为信号反复出现过冲和下冲,在逻辑电平的门限上下抖动,震荡成欠阻尼状态.信号的振铃主要是由传输线上过渡的寄生电感和电容引起接收端与源端的阻抗失配造成的.同反射 收稿日期:2004-11-29 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60372004) 作者简介:冼志妙(1967-),女,高级实验师,研究方向:EDA与专用集成电路设计.一样,可通过适当的端接予以抑制.114串扰通常在高边缘速率的高密度电路板中才会出现串扰问题,其原因是信号线上有交变的信号电流通过时,会产生交变的磁场,处于该磁场中的相邻信号线会产生感应电压,而亚纳秒级的边缘速率会引起高频谐振,很容易耦合到邻近的互连线中,从而造成串扰,因此串扰多发生在拥有大量高速互联的电路板中.115地反弹在高速电路板中,当大容量的数据总线的交换速率足够快,会在电源层产生大的瞬态电流,通过地回路的电流变化时,由于回路电感会产生一个电压,上升沿越短,电流变化率越大,地反弹电压也就越大.2 应用S Q (Specctra Quest )/Sigxp 作SI 分析及仿真的方法在实际电路中一条完整的信号传输线包括4个部分:Buffer (包括D river 和Receiver )、互联(包括传输线和过孔)、接插件(器件管脚)和匹配电路.如果要进行仿真分析,就必须分别对这4个部分建模分析,其中互联和接插件的模型对信号的影响是最大的,下面就针对这两部分进行建模分析.211互联21111传输线 在频率不高、损耗不明显的情况下,可以使用理想传输线的等效模型(图1).当信号在高频情况下,传输线上的损耗就不可忽略,此时应考虑由导体串联等效电阻和介质并联等效电导引起的损耗,此时应使用有损传输线模型(图2).图1 理想传输线等效模型Fig 11 Perfect equivalent model of trans m issionline图2 有损传输线等效模型Fig 12 Equivalent model of trans m issi on line with wastage图1中,传输线单位长度上的特征阻抗为Z 0=L /C,其中L 为单位长度电感,C 为单位长度电容.图2中,单位传输线上的特征阻抗为Z 0=(r +j w L )/(g +j w C ).其中,r 为等效串联电阻.频率升高时,由于趋肤效应,导致了r 迅速增加.g 为等效并联电导.其值同样会由于频率的升高而大幅度的增加.21112过孔 过孔的模型结构由串连电阻R 、电感L 和并联电容C 共同组成(图3).根据具体应用和精度要求,可以采用多个RLC 结构并联的形式.过孔的参数与PCB 的材料、厚度、焊盘以及连接线方式等有关.图3 SQ 的过孔模型Fig 13 V ia hole model of S Q212接插件模型接插件单线模型评估接插件中某一个管脚对信号的影响,主要用来进行反射、延时、衰减、阻抗等的方针分析.图4是用传输延时Tpd 和特征阻抗Z 0表示的单线模型.图4 接插件单线模型Fig 14 Single line model with p lug显然,单线模型是不能完成仿真信号间的串扰的,这时就需要接插件的多线模型.接插件的多线模型是在三维空间下,考虑了所有管脚间的电感和电容耦合提取出来的模型,其结构非常复杂,一般接插件模型只取接插件的某一部分进行参数提取,提取完后形成各参数的RLGC 矩阵.在S Q 中,接插件的模型是由芯片的I B I S 模型提取转换得来的.I B I S (input/out put buffer in 2f or mati on s pecificati on )模型是一种基于V /I 曲线的对I/O BUFFER 快速准确建模的方法,是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准,它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗、782第2期 冼志妙等:高速PCB 的信号完整性分析及应用上升/下降时间及输入负载等参数,非常适合数字电路的振荡和串扰等高频效应的计算与仿真.3 信号完整性分析的应用实例本系统是基于P LX 公司的PC I 9056设计的合成孔径雷达模拟信号发生器,数字部分时钟频率达105MHz,DA 转换速率为210M SPS,数据流向由PC I 控制器到F I F O 再到DA.控制逻辑采用A l 2tera 公司的EP M7128,F I F O 采用I D T 公司的I D T72V3680,DA 选择了AD 公司的AD9751[2].本系统的数字部分大部分属于高频范围,因此不可预测的因素出现几率大,信号完整性的问题会十分重要(图5).图5 高速PC I 控制器系统框图Fig 15 System frame of high speed PC I contr oller在布局过程中注意保护高速数字部分的信号完整性问题和模拟部分不受高速数字部分的干扰.因此系统分割为两大块:围绕PC I 9056由CP LD 、F I F O 和锁相环(Z9973)构成数字部分;DA 与运放和滤波构成了模拟部分.311时钟时钟对于数字系统来说是至关重要的,其信号完整性问题关系到系统能否正常工作.最初时钟信号采用直接连接的方式,但是仿真的结果非常不理想(图6).分析原因是由于驱动端与负载端的阻抗不匹配,产生了较大的反射和振铃所致.采用串接电阻的办法解决此问题,经过反复测试,采用50Ω的电阻得到了理想的波形(图7).312 数据线主要解决的是信号的反射噪声和串扰.前面的谐振电路模型对理解走线较短、分布电容较大的振铃现象有帮助,而对于一段比较长的走线来说,其效应就更类似于传输线.如何判断是否满足传输线条件,有如下经验公式:01366L >t /2.其中:01366L 是传输延时因子,L 单位为c m ,此图6 初始时钟仿真波形Fig 16 Si m ulate wavef or m of initialize clock图7 最终时钟仿真波形Fig 17 Si m ulate wavef or m of initialize eleck因子适用于常见的环氧树脂板;t 为由平跳度上升/下降时间,单位为ns .V t =2V in R t /(R t +Z 0).传输线模型具有特性阻抗、群延时、反射特性等.有传输线的反射公式V t =V in (R t -Z 0)/(R t +Z 0).其中:V in 为传输线输入电压;V r 为反射电压;R t 为终端匹配阻抗;Z 0为传输线特性阻抗;V t 为反射后匹配电阻上的电压.如果传输线没有完全匹配,即R t ≠Z 0,则有反射产生,此时通过在源和负载之间多次反射,就会产生多次振铃.如果传输线完全匹配,即R t =Z 0,此时就不会有振铃的产生.长于20132cm 的走线应当在末端进行匹配,大致有图8所示的几种匹配方式.其中交流匹配(ac ter m inati on )和其他匹配882桂 林 工 学 院 学 报 2006年图8 匹配方式Fig 18 The match mode方式相比,是一种比较好的匹配方式.该匹配方式不增加驱动源的负载,不额外加大电源的负担,在本系统的硬件设计中,就较多地采用了这种匹配方式.需要注意的是,匹配网络的时间常数(R t ×CA P )至少是传输信号周期的10倍.在上文所述的仿真条件下,固定R t =22Ω,只改变布线的长度,使74LS245的引脚到匹配电阻的长度为2514c m ,可得到反射效应下的波形图;再和短线(<1127c m )情况下的波形图对比(图9A ,黑点线条为负载,实线为源).图9 匹配前波形(A )和匹配后波形(B )Fig 19 W avef or m bef ore (A )and after (B )matching由以上波形可以看出,在长线且不加匹配网络的情况下,由于多次反射,使得源端的波形呈现多次起伏,负载和源端的波形出现较大的失真.由等效原理图2可以看出,电路板铜箔走线的特性阻抗大致为60Ω,所以在长线条件下,加入交流匹配网络(ac ter m inati on ),匹配电阻为60Ω,CA P 为1000PF,得到波形图9B (黑点线条为负载,浅色线为源).从以上波形可以看出,加上匹配网络后的仿真波形没有多次反射所产生的波形起伏,而只有电波传输所带来的延迟,负载和源端的波形形状比较一致.反射问题的解决主要是保证驱动端、传输线和负载端的阻抗匹配,在PCB 中,走线的长度、宽度,走线的拐角,走线中过孔的位置,PCB 的介质、厚度,驱动端与负载端的相对位置,这些都是可变的因素,一些细微的变化都会引起反射的发生.为了防止串扰,在布线过程中尽量避免平行走线,平行走线的长度越短越好.由于电磁辐射近似正比于电流回路的面积,采用高密度管脚封装的器件,同时合理的布局能使数据线的拓扑结构占用最小的面积,这意味着缩小了电流回路的面积,因此大大降低了数字部分的电磁辐射,更好的提高了系统的电磁兼容性.图10为仿真波形.图10 数据线仿真波形Fig 110 Si mulate wavef or m of data bus4 结束语高速电路设计是一个非常复杂的设计过程,随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高,信号完整性问题的重要性越来越突出.在设计初期,要合理的选择器件,不要一味追求高性能、高速率,因为这些往往意味着对信号完整性的要求也就越高,增加了后面过程的难度.本文所述的系统由于采用了合理的DA 芯片,使得高速数字部分时钟由210MHz 降低到105MHz,大大减小了信号完整性问题的难度.S Q 对高速系统的信号完整性分析和波形仿真,在高速系统设计中具有指导意义.设计工程师可以在电路板预布局的情况下,就对系统特性982第2期 冼志妙等:高速PCB 的信号完整性分析及应用进行仿真,实践证明,仿真结果不理想的布局,在完成布线后的仿真结果也不理想.通过对布局进行调整,完成布线后,再进行仿真,对于效果达不到要求的网络分析其原因,再加以针对性的改进,直至得到满意的布线结果.利用S Q对高速系统中振铃和传输线效应的仿真结果和实验,可以得到以下结论:(1)对高速信号和有严格要求的走线,应尽可能地走短线.(2)对于高分布电容的负载,应采用短而粗的走线.理论分析,比较粗的走线有比较小的电感.(3)对长于5108c m而短于20132c m的走线,要串入25～50Ω的阻尼电阻,一般取25、33或50Ω.(4)对于长于20132c m的走线,应当加入并行匹配网络(地匹配、电源匹配、中点电位匹配、交流匹配等).参考文献:[1]李征帆,毛军发.微波与高速电路理论[M].上海:上海交通大学出版社,2001.[2]秦洪密,李军,朱顺临,等.高速PCB设计中的时序分析及仿真策略[J].电子技术应用,2003(8):58-61.Ana lysis and appli ca ti on of h i gh speed PCB si gna l i n tegra lityX I A N Zhi2m iao1,ZHU Xue2hua2,X I Zhu2ke2(11D epa rt m ent of E lectronics&Infor m ation Engineering,Zhaoqing U niversity,Zhaoqing526061,China; 21South China U niversity of Technology,Guangzhou510640,China)Abstract:I n high s peed syste m design,PCB circuitry coll ocati on often p resents trans m issi on line dom ino effect,an very obvi ous effect.M any fact ors can affect signal integrality,such as ti m ing,reflecting,ring,in2 terference,gr ound rebound.A way t o model and e mulate w ith S Q/Sigxp is intr oduced,and the trans m issi on line p r oble m can be res olved commendably by means of the signal integrality analysis and wave e mulate of high s peed syste m with S Q.An exa mp le is put f or ward t o exp lain how t o realize signal integrality.Key words:signal integrality;modeling;PC I contr oller;i m itating092桂 林 工 学 院 学 报 2006年。
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H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
信号完整性与高速P C B设
计课程报告
院系：航天学院
班级： 1021202
姓名：凌霄飞鸿
学号：
任课教师：老师
哈尔滨工业大学
2012年
信号完整性与高速PCB设计
任课老师：老师
凌霄飞鸿
1.课程概述与心得体会：
随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事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。
目前约50% 的设计的时钟频率超过50MHz，将近20% 的设计主频超过120MHz。
当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。
因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。
只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。
印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。
1.电源线设计
根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2.地线设计
在电子产品设计中，接地是控制干扰的重要方法。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。
电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点：（1）正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地的方式。
当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。
当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
（2）数字地与模拟地分开。
电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。
低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。
高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
要尽量加大线性电路的接地面积。
（3）接地线应尽量加粗。
若接地线用很细的线条，则接地电位则随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。
因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。
如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
（4）接地线构成闭环路。
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。
其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇
有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
3.退藕电容配置
PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。
退藕电容的一般配置原则是：
（1）电源输入端跨接10～100uf的电解电容器。
如有可能，接100uF以上的更好。
（2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01uF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1～10uF的钽电容。
（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外，还应注意以下两点：
（1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。
一般R取1～2K，C取2.2～47uF。
（2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
2.课程设计部分：
2.1设计目的：
1，实现1mv~1V1000倍的放大，频率：1KHz~5MHz@-3dB ;
2，自主设计，画PCB调试电路。
2.2原理图：
2.3设计原理简述：
我首先选择采用用Multisim测试了单运放增益带宽积，及实际查看了频率
补偿效果。
发现此运放在单运放放大时很难达到很高频率。
故我选用双运放进行级联放大，并采用电容补偿策略，并且采用二阶滤波电路。
后调试成功后发现出现三个问题：
1，交流仿真后发现只有当频率达到90MHz时，放大倍数才为1.并且频率滤波效果不好下降不够陡；
2，频率补偿时采用了电容补偿，当高频通过时，理论计算会出现放大倍数出现很大现象；
3，频率要求范围内电压增益变化宽（1.2K~999）；
后来我采用三运放级联放大电路，并且反馈电阻均采用手册推荐值。
此电路克服上一电路的2和3. 且当电压增益为1时，频率为61MHz。
但此电路仍然存在频率滤波效果不好。
在5MHz~30MHz频率段仍然有不小的放大。
2.4 Multisim仿真部分：
仿真原理图：
未加频率补偿电容：
可以看到其在截止频率处幅度下降较快，无法达到设计要求。
增加频率补偿电容后：
可以看到其在通带处较为平坦，且在截止频率处下降较为理想。
采用两运放加频率补偿电路：
采用三运放加频率补偿电路：
通过仿真可以看到在三运放时，不仅通带幅度较为平坦，并且在截止频率处也达到了设计要求，但其在更高频率处仍然有放大。
2.5最终得到的PCB:
这里我采用双层板进行设计,得到的PCB图：
背面：
地平面：
去除覆铜得到的PCB板：
哈尔滨工业大学—信号完整性与高速PCB设计课程报告
我采用了最大地平面覆铜处理，这样降低地平面的阻抗。
得到较为纯净的地，并且我在电源处采用去耦电容处理，这样可以得到相对干净的地。
2.6设计心得：
在设计中我在电源接入端接入了10uf,0.1uf和0.01uf的电容进行滤波和去耦处理。
并且我在每一块运放电源端加增0.1uf和0.01uf电容进行去耦处理。
并且我让信号流向尽量一致顺畅。
但由于板面积有限，部分地平面覆盖连接并不是那么完美。
3.课程设计体会与感想：
通过此次高速PCB的设计课程的学习，我学到了很多东西。
在以前我画PCB 中忽略的部分现在我才意识到它对PCB的影响是那么重要。
正如：“用一样的东西不同的人作出的结果是相差很大的。
”在我以后的画板设计中我要更加注意元器件布局和布线设置，这在高速PCB设计中显得尤为重要。
11。