如何做好高速PCB信號(hào)流向處理

信號(hào)完整性是指信號(hào)在傳輸路徑上的質(zhì)量，即信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓電平作出響應(yīng)的能力。如果電路設(shè)計(jì)能夠達(dá)到把信號(hào)以規(guī)定的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅值在互連系統(tǒng)中傳輸，就表明該電路具有良好的信號(hào)完整性。信號(hào)完整性問題體現(xiàn)在很多方面，當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間減小到一定的程度，電路板上的寄生電容和寄生電感開始導(dǎo)致一些可能影響電路性能的噪聲信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)時(shí)，就需要考慮信號(hào)的完整性問題，它可能會(huì)造成以下問題的發(fā)生：

1.延遲：延遲是指信號(hào)在PCB板的傳輸線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響;傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度是影響時(shí)鐘脈沖相位差的最直接因素，時(shí)鐘脈沖相位差是指同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同步。時(shí)鐘脈沖相位差降低了信號(hào)沿到達(dá)的可預(yù)測(cè)性，如果時(shí)鐘脈沖相位差太大，會(huì)在接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)。

2.反射：反射就是信號(hào)在信號(hào)線上的回波。當(dāng)信號(hào)延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)跳變時(shí)間時(shí)，信號(hào)線必須當(dāng)作傳輸線。當(dāng)傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)功率(電壓或電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處，但是有一部分被反射了。若負(fù)載阻抗小于原阻抗，反射為負(fù);反之，反射為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

3.串?dāng)_：串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起信號(hào)線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。串?dāng)_噪聲源于信號(hào)線網(wǎng)之間、信號(hào)系統(tǒng)和電源分布系統(tǒng)之間、過孔之間的電磁耦合。串繞有可能引起假時(shí)鐘、間歇性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等，對(duì)鄰近信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響。現(xiàn)實(shí)中，無法完全消除串?dāng)_，但可將其控制在系統(tǒng)所能承受的范圍之內(nèi)。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性、基線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

4.過沖和下沖：過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓，對(duì)于上升沿，是指最高電壓;對(duì)于下降沿，是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值超過設(shè)定電壓。過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致其過早的失效。過分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(誤操作)。

5.振蕩和環(huán)繞振蕩：振蕩現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)的過沖和下沖。信號(hào)的振蕩即是由線上過渡的電感和電容引起的振蕩，屬于欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞振蕩，屬于過阻尼狀態(tài)。振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

為了提高高速信號(hào)質(zhì)量，需理解如下三個(gè)重要的電子學(xué)原理：

(1)電流是電子的流動(dòng)；

(2)電流只能在閉合的回路中流動(dòng)；

(3)電流在閉合回路中是恒定的。

一般來說，PCB設(shè)計(jì)者要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力對(duì)信號(hào)線的流動(dòng)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，并且處理返回信號(hào)，使信號(hào)可以尋找路徑返回。信號(hào)線完整性問題的一個(gè)基本原因就是對(duì)信號(hào)回流路徑的控制,在布置好元件的同時(shí)形成回路。

某網(wǎng)友模塊化飛線信號(hào)回路圖如下