高速PCB设计中信号完整性和传输延迟分析

 常见问题     |      2021-11-25 14:09:56    |      爱彼电路
随着高速电路系统设计复杂性的提高,高速PCB的信号完整性的解决难度也会加大,这是一个非常复杂的设计过程。在实际应用中,设计初始就应当要考虑到器件的合理性,若选用高性能和速率的器件,那么在解决信号完整性的难度就会加大。本文就高速PCB信号完整性进行分析并提出解决办法,以供参考。
高速PCB设计中信号完整性和传输延迟分析(图1)
1 高速PCB信号完整性的概述

信号完整性(Signal Integrity,简称SI)是指电路系统中信号的质量,即信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端的集成电路芯片,则该电路具有较好的信号完整性。反之,当信号不能正常响应时,就出现了信号完整性问题。

从信号传输的角度来看,当一个集成电路芯片将时钟或者数据作为信号发送到PCB上的导体或导线上,这些信号应该在要求的时间内以一定电压到达接收端芯片的引脚,并且持续一定的时间。当信号不满足上述条件时,信号完整性问题就出现了。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是由PCB板级设计中多种因素共同引起的。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素,都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不工作。

因此,信号完整性又指在高速产品中由互连线引起的所有问题。主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。从信号完整性的角度来看,实际的信号波形就是设计所需的理想波形和一些不期望看到的波形的叠加。总之,在高速电路设计中,信号完整性(SI)问题解决得越早,设计的效率就越高,从而可避免在电路板设计完成之后才增加端接器件。

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。

2 高速PCB信号完整性分析及常用的解决办法

信号完整性(Signal Integrity )简称SI ,是指信号在信号线上的传输质量,高速信号完整性受损是由于随着信号速度和板级设计复杂度的提高、元器件的参数及在PCB板上的布局、高速信号的布线等多种因素共同作用引起的受损,主要体现在信号的反射、振荡、地弹、串扰等。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。由于信号完整性受损不是由某一单一因素导致的,所以解决办法也应综合考虑。

2.1 反射(reflection)

就是信号在高速传输过程中产生的回波。在传输中信号的一部分电压和电流会因为阻抗不匹配被反射。信号源的阻抗值相比负载阻抗值的大小不同,产生的反射电压也不同,源端的阻抗大于负载端时为负,相反则为正。