PCB设计与信号完整性

Posted 2020-06-20

  之前设计板卡时，未曾系统的学习关于SI相关知识。将之前的资料整理如下：

  与SI有关的因素：反射，串扰，辐射。反射是由于传输路径上的阻抗不匹配导致；串扰是由于线间距导致；辐射则与高速器件本身以及PCB设计有关。

（1）信号线的阻抗匹配

  传输线判断

  利用之前判断高速信号的公式，所以对于高速和低速的区分，需要考虑信号频率和传输路径长度。

  判断步骤： 1）获得信号的有效频率Fknee 和走线长度 L；

           2）利用Fknee 计算出信号的有效波长λknee，，即λknee = C /Fknee ;

           3）判断L与1/6 x λknee之间的关系，若L > 1/6 x λknee，则信号为高速信号，反之为 低速信号；

  其中λknee  = C / Fknee;其中C是比光速略低的速度，Fknee = 0.5 / Tr(10% ~ 90%)，还需注意的是，若是对于百兆频率的信号，若是没有现成的板子，可以对有效频率Fknee进行估算， Fknee 约为 7倍的Fclock（信号的周期）。

  若L > 1/6 x λknee，则视为传输线，传输线必须考虑在传输过程中可能由于阻抗不匹配导致信号的反射问题。

反射公式

信号的反射ρ = （Z2 -Z1）/（Z2 +Z1）；

其中Z2 为反射点之后的线路阻抗；Z1为反射之前的线路阻抗；

ρ 的可能存在值±1,0，当为0时全部吸收，当为±1时则发生反射。信号的反射由始端、传输路径、终端阻抗的不匹配导致。

降低反射方法

为了尽可能降低信号的反射，那么需要Z2 和Z1尽可能相近。有几种方法进行阻抗匹配：发送端串联匹配，接收端并联匹配，接收端分压匹配，接收端阻容并联匹配，接收端二极管并联匹配。

          3） 接收端的分压匹配  

          4）接收端的阻容匹配

          优点：功耗小；

缺点：由于电容C存在，对信号边沿变化放缓；会产生接收端高低电平不对称问题； 

 

 

 

 

（2）信号回流

  对于信号回流，对于多层板，在信号回流时，需要注意以下情况：

1）信号换层时最好不要改变参考层，信号1参考层是电源层1/底层1，换层之后，参考层仍是电源层1/底层1；

2）信号换层时，最好不要更改参考属性。信号1参考 层电源层1/底层1，换层之后，参考层仍是电源层2/底层2，对于回流可在附近的GND或电源层打过孔实现回流，过孔孔径应尽量小，减小其自身的感抗和容抗效应对信号完整性的影响。

3）多个信号换层时，需要在信号附近打对地过孔或对电源过孔。

4）若换层之后，参考属性不同，要求两参考层相距较近，减小层间阻抗和返回路径上的压降。

  （3）信号串扰

  利用3W原则；