信号完整性在高速PCB设计中的原因解析

        随着越来越多的VLSI芯片工作在100MHz的频率以上，450MHz的CPU也将广泛应用，信号的边沿越来越陡（已达到ps级），处理高速数字系统的振铃和串扰问题也一直是一个令人头疼的问题，这些高速器件性能的增加也给高速系统设计带来了困难。
　　同时，高速系统的体积不断减小使得印制板的密度迅速提高。比较现在新的PC主板与几年前的主板，可以看到新的主板上加入了许多端接。信号完整性问题已经成为新一代高速产品设计中越来越值得注意的问题，这已是毋庸置疑的了。
　　信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指在信号线上的信号质量。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。主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。
　　源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。
　　信号的振铃（ringing）和环绕振荡（rounding）由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。
　　在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
　　振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象（伴有地平面回路），串扰则是由同一PCB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
　　表1列出了高速电路中常见的信号完整性问题与可能引起该信号完整性的原因，并给出了相应的解决方案。
表 1  常见信号完整性（SI）问题及解决方法
问题 可能原因 解决方法 变更的解决方法
过大的上冲 终端阻抗不匹配 终端端接 使用上升时间缓慢的驱动源
直流电压电平不好 线上负载过大 以交流负载替换直流负载 使用能提供更大驱动电流的驱动源
过大的串扰 线间耦合过大 使用上升时间缓
慢的主动驱动源 在被动接收端端接, 重新布线或检查地平面
传播时间过长 传输线距离太长, 没有开关动作 替换或重新布线, 检查串行端接 使用阻抗匹配的驱动源, 变更布线策略