PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性知識(shí)整理

之前在設(shè)計(jì)板卡時(shí)，只是聽(tīng)過(guò)相關(guān)的概念，但是未真正去研究關(guān)于SI相關(guān)的知識(shí)。將之前看過(guò)的一些資料整理如下：

（1）信號(hào)完整性分析

與SI有關(guān)的因素：反射，串?dāng)_，輻射。反射是由于傳輸路徑上的阻抗不匹配導(dǎo)致；串?dāng)_是由于線間距導(dǎo)致；輻射則與高速器件本身以及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。

傳輸線判斷

傳輸線的判斷可以參考之前的博客

利用之前判斷高速信號(hào)的公式，所以對(duì)于高速和低速的區(qū)分，需要考慮信號(hào)頻率和傳輸路徑長(zhǎng)度。

判斷步驟： 1）獲得信號(hào)的有效頻率Fknee 和走線長(zhǎng)度 L；

2）利用Fknee 計(jì)算出信號(hào)的有效波長(zhǎng)λknee，，即λknee = C /Fknee ;

3）判斷L與1/6 x λknee之間的關(guān)系，若L > 1/6 x λknee，則信號(hào)為高速信號(hào)，反之為 低速信號(hào)；

其中λknee = C / Fknee;其中C是比光速略低的速度，F(xiàn)knee = 0.5 / Tr(10% ~ 90%)，還需注意的是，若是對(duì)于百兆頻率的信號(hào)，若是沒(méi)有現(xiàn)成的板子，可以對(duì)有效頻率Fknee進(jìn)行估算， Fknee 約為 7倍的Fclock（信號(hào)的周期）。

若L > 1/6 x λknee，則視為傳輸線，傳輸線必須考慮在傳輸過(guò)程中可能由于阻抗不匹配導(dǎo)致信號(hào)的反射問(wèn)題。

反射公式

信號(hào)的反射ρ = （Z2 -Z1）/（Z2 +Z1）；

其中Z2 為反射點(diǎn)之后的線路阻抗；Z1為反射之前的線路阻抗；

ρ 的可能存在值±1,0，當(dāng)為0時(shí)全部吸收，當(dāng)為±1時(shí)則發(fā)生反射。信號(hào)的反射由始端、傳輸路徑、終端阻抗的不匹配導(dǎo)致。

降低反射方法

為了盡可能降低信號(hào)的反射，那么需要Z2 和Z1盡可能相近。有幾種方法進(jìn)行阻抗匹配：發(fā)送端串聯(lián)匹配，接收端并聯(lián)匹配，接收端分壓匹配，接收端阻容并聯(lián)匹配，接收端二極管并聯(lián)匹配。

3）接收端分壓匹配

4）接收端阻容并聯(lián)匹配

優(yōu)點(diǎn)：功耗較??；

缺點(diǎn):存在接收端高低電平不匹配情況，由于電容的存在，會(huì)使信號(hào)的邊沿變化變緩。

（2）信號(hào)回路

信號(hào)回路主要包括兩個(gè)路徑，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)路徑，一個(gè)是回路路徑，在發(fā)送端、傳輸路徑、接收端測(cè)得的信號(hào)電平，實(shí)質(zhì)上是該信號(hào)在驅(qū)動(dòng)路徑和返回路徑上對(duì)應(yīng)位置的電壓值，這兩條路徑都非常重要。

要提供完整的回流路徑，需要注意以下幾點(diǎn)：

1.信號(hào)換層時(shí)，最好不要改變參考層，若信號(hào)的換層時(shí)從信號(hào)層1換到信號(hào)層2，參考層都是底層1，在這種情況下，返回路徑無(wú)需換層，即信號(hào)的換層對(duì)其反回路徑無(wú)影響。

2.信號(hào)換層時(shí)，最好不改變參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性。也就是信號(hào)1開(kāi)始的參考層是電源層1/地層1，經(jīng)過(guò)換層之后，信號(hào)1的參考層是電源層2/地層2，其參考層的網(wǎng)絡(luò)屬性未變，都是GND或電源屬性，可利用附近的GND或者電源過(guò)孔實(shí)現(xiàn)反回路徑的通路。這里在高速情況下，過(guò)孔的容抗和感抗也是不能忽略的，這種情況下，盡量減小過(guò)孔，減小過(guò)孔本身產(chǎn)生的阻抗變化影響，減小對(duì)信號(hào)回流路徑的影響。

3.信號(hào)換層時(shí)，最好在信號(hào)過(guò)孔附近增加一個(gè)與參考層同屬性的過(guò)孔。

4.若換層前后，兩層參考層的網(wǎng)路屬性不同，要求兩參考層相距較近，減小層間阻抗和返回路徑上的壓降。

5.當(dāng)換層的信號(hào)較密集時(shí)，附近的地或者電源過(guò)孔之間應(yīng)保持一定距離，換層信號(hào)很多時(shí)，需要多打幾個(gè)對(duì)地或者對(duì)電源的過(guò)孔。

（3）串?dāng)_

解決串?dāng)_的辦法是，高速信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)，其他數(shù)據(jù)信號(hào)等，間距滿足3W原則。