多線路板設(shè)計(jì)中的接地連接和高速信號

從電視到筆記本電腦，我們最喜歡的許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品實(shí)際上都是多板系統(tǒng)。打開筆記本電腦或臺式機(jī)，您會發(fā)現(xiàn)一個功能豐富的多板系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有電纜和板載連接器，這些電纜和板載連接器可將主板和系統(tǒng)中的外圍設(shè)備連接起來。隨著計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備運(yùn)行速度的提高，多板設(shè)計(jì)中的正確接地和保持干凈的高速信號對于保持低誤碼率（BER）值并通過EMC測試至關(guān)重要。

每塊板上的高速設(shè)計(jì)

多板系統(tǒng)中的各個板應(yīng)始終設(shè)計(jì)為確保高速系統(tǒng)中的信號完整性。電路板上的高速信號應(yīng)進(jìn)行布線，以防止由于傳輸線效應(yīng)而引起的串?dāng)_和振鈴，并具有適當(dāng)?shù)模婚g斷的返回路徑以保持信號完整性。接地也是單個板上的重要問題，但是當(dāng)作為多板系統(tǒng)的一部分在板之間發(fā)送高速信號時，接地就變得尤為重要。

許多新手設(shè)計(jì)師都錯過了高速設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速率并不能確定一塊板是否屬于高速。取而代之的是，將開和關(guān)狀態(tài)之間的切換速度歸類為高速。

現(xiàn)代數(shù)字IC的體積越來越小，從而減少了其柵極電容和切換時間。即使您正在使用數(shù)據(jù)速率較低的通信協(xié)議（例如串行外圍設(shè)備接口（SPI）總線），較新的數(shù)字IC也會以足夠快的速度切換，以使您的設(shè)備可以歸類為高速設(shè)備。

請牢記這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路板時，需要根據(jù)電路中的切換時間檢查互連長度。如果25％的信號上升時間（10％至90％）小于沿走線的傳播延遲，則走線將充當(dāng)傳輸線，您需要將走線與源和負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配，在電源或負(fù)載處增加端接，或使用阻抗控制設(shè)計(jì)以確保走線阻抗與電源和負(fù)載相匹配。這將防止反射導(dǎo)致數(shù)字信號振鈴。

在路由具有并行數(shù)據(jù)的信號網(wǎng)時，您需要確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號是同步的，以防止時序偏斜。應(yīng)當(dāng)在單個板內(nèi)部以及板之間補(bǔ)償時序偏斜，以免信號不同步導(dǎo)致BER值較高。這需要信號網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的長度匹配跡線，包括差分對之間的長度匹配。小心差分對，并在可能的情況下嘗試在布線和長度匹配方案中強(qiáng)制對稱。

多板設(shè)計(jì)中的接地和高速信號

在多板系統(tǒng)中的板之間路由高速信號時，需要設(shè)計(jì)連接方式，以便信號具有可靠的接地返回路徑。如果您忽略了這一點(diǎn)，那么您的返回信號將被迫沿著長途路線經(jīng)過目標(biāo)板上的接地連接，再經(jīng)過電源或機(jī)箱，再進(jìn)入源板。本質(zhì)上，您剛剛創(chuàng)建了一個巨大的環(huán)形天線，并且您的系統(tǒng)可能不會通過EMC檢查。

最簡單的方法是在兩塊板之間發(fā)送信號時使用差分信號。但是，這要求電路板兩端的組件都支持差分信號傳輸，而這并非總是可能的。這不能容納所有通信協(xié)議（例如I2C）。

在不可能進(jìn)行差分信號傳輸?shù)牡胤?，您將需要利用源和目?biāo)板上的接地層來為電路板之間路由的信號提供返回路徑。例如，考慮連接到電源的兩個板。源板使用FPGA或其他組件提供某些處理，目標(biāo)板包含一些需要接收一些數(shù)據(jù)的外圍組件。

為了為在這些板之間路由的信號提供一個短的返回路徑，您將需要包括一條貫穿您的連接的接地連接。您可以將源板上連接器上的一個引腳連接到源板上的接地層。然后，您需要對目標(biāo)板上的連接器執(zhí)行相同的操作。

本質(zhì)上，現(xiàn)在您的連接電纜中有一個接地連接，該接地連接與信號所在的平面相同。這種參考選擇極為重要：您必須將此接地連接參考到與您的信號相同的參考平面，否則可能會產(chǎn)生接地環(huán)路。如果您有備用的引腳，則最好在板之間的連接中（最好是在相鄰信號之間）放置多個接地，因?yàn)檫@會減少高速切換期間的接地反彈。

實(shí)際上，在設(shè)計(jì)并行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議時要考慮到這種接地方案。如果查看DDR4或PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的規(guī)范，則會發(fā)現(xiàn)這些多板接口的引腳布局經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，在接口上具有多條接地線，以便為信號輸入提供多個返回路徑。連接。