PCB 設計中導致 PCB 信號完整性問題的 9 個因素

PCB 設計中導致 PCB 信號完整性問題的 9 個因素

對于設計人員來說，避免 PCB 中的信號完整性問題是一項極其復雜的任務。它需要深入了解信號完整性設計規則和技術。隨著更快邏輯系列的推出，設計人員已經意識到簡單的 PCB 布局無法滿足信號完整性要求。

高速設計具有特殊的信號完整性問題，如果處理不當，可能會讓您頭疼。始終建議工程師考慮一些最好的 PCB 設計服務，以最大限度地減少早期設計周期中的信號完整性問題，從而避免昂貴的設計迭代。

在此過程中，我們將提供有關以下主題的更多見解：

PCB 中的信號完整性如何？
PCB 信號完整性要求
導致 PCB 信號完整性問題的 9 個因素
PCB 中的信號完整性如何？

信號完整性 (SI) 表示信號無失真傳播的能力。

信號完整性就是通過傳輸線的信號質量。當信號從驅動器傳播到接收器時，它可以測量信號衰減量。在較低頻率下，這個問題并不是主要問題，而是當PCB運行在較高速度和較高頻率（>50MHz）時需要考慮的重要因素。在高頻狀態下，應同時關注信號的數字和模擬方面。

傳輸介質對信號完整性的影響。

當信號從驅動器傳輸到接收器時，它不會保持不變，任何最初發送的信號都會在接收時出現不同程度的失真。信號失真是由阻抗不匹配、反射、振鈴、串擾、抖動和地彈引起的。設計人員的主要目標應該是盡量減少這些因素，使原始信號能夠以最小的失真到達目的地。還需要特別注意保持信號質量并控制其對電子電路的不利影響。

PCB 信號完整性要求

當我們在PCB中遇到信號完整性問題時，它可能無法按預期工作。它可能以一種不可靠的方式工作——有時它不起作用。它可能在原型階段有效，但在批量生產中常常失敗。在實驗室可以工作，但在現場不能可靠運行；它在舊的生產批次中有效，但在新的生產批次中無效，以此類推。

它變形，即它的形狀從所需的形狀發生變化
有害的電子噪聲會疊加在信號上，從而降低其信噪比（S/N）
它會對板上的其他信號和電路產生有害噪聲

在以下情況下，PCB 被認為具有必要的信號完整性：

里面的所有信號都不會失真
其設備和互連不易受外部電氣噪聲和周圍其他電氣產品的電磁干擾（EMI）影響，其性能達到或超過監管標準
根據或優于監管標準，它不會在與其連接或附近的其他電路/電纜/產品中產生、引入或輻射 EMI。
導致 PCB 信號完整性問題的 9 個因素
PCB 中信號完整性問題的最重要原因可能是信號上升時間較快。當電路和設備工作在中低頻、中等上升和下降時間時，很少會出現由PCB設計引起的信號完整性問題。然而，當我們在更高（射頻和更高）頻率下工作時，信號上升時間會短得多。因此，PCB設計帶來的信號完整性成為一個非常大的問題。
減少上升時間對于信號完整性至關重要。

導致PCB信號完整性下降的因素：

一般來說，快速的信號上升時間和高信號頻率會增加信號完整性問題。為了分析，我們可以將各種信號完整性問題分為以下幾類：

1、線路阻抗不受控制造成信號衰減

網絡上的信號質量取決于信號跡線及其返回路徑的特性。線路運行過程中，如果信號遇到線路阻抗的變化或不均勻，就會發生反射，造成振鈴和信號失真。而且，信號上升時間越快，線路阻抗不受控制的變化所引起的信號失真就越大。我們可以通過以下方法減少或消除線路阻抗的變化，以盡量減少反射引起的信號失真：

確保信號線及其返回路徑充當具有統一受控阻抗的統一傳輸線。
信號返回路徑放置在信號層附近作為均勻平面。
確保受控阻抗信號線的源阻抗和接收器阻抗匹配

PCB Design

2. 其他阻抗不連續性導致的信號衰減

阻抗不連續會導致振鈴和信號失真。前面提到，信號在傳輸過程中如果遇到阻抗不連續，就會受到反射，導致振鈴和信號失真。在下列條件之一下，將出現線路阻抗的不連續性：

當信號在其路徑中遇到過孔時。
當信號分裂成兩條或多條線時。
當信號返回路徑平面遇到不連續性時，例如將線根連接到信號線時平面出現裂紋。
當線根與信號線連接時。
當信號線從源端開始時。
當信號線終止于接收端時。
當信號和返回路徑連接到連接器引腳時。

而且，信號上升時間越快，由阻抗不連續性引起的信號失真就越大。我們可以通過以下方法盡量減少線路阻抗不連續造成的信號失真：

通過使用更小的通孔和 HDI PCB 技術，可以最大限度地減少由通孔和通孔樁引起的不連續性的影響。

減少走線存根的長度。當信號在多個位置使用時，路由以菊花鏈方式完成，而不是多分支分支。源端和接收端終端電阻正確。使用差分信號和緊密耦合的差分對，它們受信號返回路徑平面中的不連續性的影響要小得多。確保在發生不連續的連接器處，信號線應盡可能短，信號返回路徑應盡可能寬。

3. 傳播延遲導致的信號衰減

信號從信號源傳輸到 PCB 上的接收器所需的時間有限。信號延遲與信號線的長度成正比，與特定 PCB 層上的信號速度成反比。如果數據信號和時鐘信號總體延遲不匹配，它們將在不同時間到達接收器進行檢測，從而導致信號傾斜；過度偏斜會導致信號采樣錯誤。隨著信號速度越來越高，采樣率也越來越高，允許的偏轉也越來越小，這樣就更容易產生偏轉帶來的誤差。

提示：信號延遲匹配（主要是走線長度匹配）可以最大限度地減少一組信號線的偏轉。

4、信號衰減導致的信號衰減

由于傳導線電阻（由于集膚效應在較高頻率下增加）和介電材料損耗因數Df造成的損耗，信號在PCB電路上傳播時會受到衰減的影響。這兩種損耗隨著頻率的增加而增加，因此信號的高頻成分會比低頻成分受到更大的衰減；這會降低信號帶寬，進而因信號上升時間的增加而導致信號失真；如果信號上升時間過長，會導致數據檢測錯誤。

提示：當信號衰減是重要考慮因素時，需要選擇正確類型的低損耗高速材料并適當控制布線幾何形狀，以最大限度地減少信號損耗。

5. 串擾噪聲引起的信號衰減

信號線或返回路徑平面上的快速電壓或電流轉換可能會耦合到相鄰信號線，從而導致相鄰信號線上產生有害信號串擾和開關噪聲。由于導線之間的互電容和互感而發生耦合。通過增加導線之間的空間可以減少這種相互電容和電感耦合。根據經驗，該空間應為布線寬度的三倍 (3W)。像往常一樣，更快的上升時間信號會產生更多的串擾和開關噪聲。

串擾和開關噪聲可以通過以下方式降低：