如何提高PCB中的信号完整性

PCB 设计指南被创建为电路设计工程师的基准，以满足行业标准。遵循这些指南将确保更好的可制造性和强大的产品性能。

概述了设计指南以提高产品的可测试性和可制造性。它们提供了改善 PCB 信号完整性和电磁兼容性 (EMC) 的建议，从而提高产品的整体性能。

本文将概述各种 PCB 设计指南，以提高 PCB 的信号完整性。遵循这些指南将有助于工程师进行稳健的PCB制造。

PCB中的信号完整性

信号完整性是电信号通过传输线从驱动器传输到接收器而没有任何失真的能力。失真的信号会对板上的相邻信号产生噪声，并降低电路操作的整体效率。在高速电路的情况下，信号失真会变得很明显，并且会损害 PCB 的整体性能。

因此，设计符合必要监管标准的 PCB 非常重要。具有强大信号完整性的精心设计的 PCB 将避免由于衰减、接地反弹和阻抗中断而导致的任何信号衰减。

如果电路设计仅包括低速信号，则几乎没有需要管理的信号完整性问题。但在高速设计中，由于上升时间要求较短，信号会失真。因此，我们需要了解某些信号完整性问题才能了解推荐的 PCB 设计指南。

1. 反射

由源传输到接收器的部分信号功率通过迹线反射回源的过程称为反射。它会导致振荡，从而导致信号失真。每当电路中出现阻抗变化时，信号走线就会产生反射效应。这反过来又增加了过冲和下冲问题。

1. 振铃、过冲和下冲

振铃是由于 PCB 走线中的信号反射而导致电压或电流信号发生不希望的振荡的过程。如果发送信号的值大于上升信号中的实际值，则发生过冲。类似地，当发送信号低于下降信号中的实际值时，就会发生下冲。所有这些过程都会使 PCB 中的传输信号失真。

1. 相声

在高速设计中，紧密布线的相邻信号可能会在不经意间相互影响，从而导致信号失真。这种失真主要是由于 PCB 中电场或磁场的耦合造成的。在电路板相邻层中路由的信号之间也可能发生串扰。

1. 信号衰减

由于 PCB 的走线电阻和介电损耗，通过 PCB 导体从源传输到负载的信号会经历信号衰减或能量损失。在高频下，信号衰减要高得多，需要事先考虑设计来处理这个问题。

1. 传播延迟和信号偏斜

PCB 走线上的信号传播延迟是该特定信号从源传输到负载所需的时间。它取决于 PCB 介电常数和走线几何形状。当存在延迟失配时，一组信号中会出现信号偏移。它显着影响电路设计中时钟和数据信号的性能。

1. 接地反弹或同时开关噪声

当 PCB 上的多个组件同时在高低状态之间切换时，电源和接地路径中的电压会下降。这导致组件的电源和接地引脚上的电压降低。噪声容限也会降低，这可能会导致电路的错误切换。

PCB 信号完整性指南

线路阻抗的不连续性会导致上述大多数信号完整性问题。在走线分支、返回信号路径中的分裂以及路径中的过孔或短截线等情况下路由信号时会出现这种阻抗不连续性。

减少因阻抗不匹配导致的信号失真的指南如下：

• 在源头提供正确的终端电阻。
• 使用较小的微通孔可显着减少通孔和短截线造成的信号失真。
• 保持短线的最小走线长度。
• 避免跟踪分支并使用适当的路由拓扑。

减少串扰效应的设计指南如下：

• 在适用的设计部分使用差分信号将消除串扰效应。
• 最小化并行路由信号的长度。
• 根据路由指南，在允许的最大距离上隔开相邻信号。
• 确保传输线与接地层足够接近，以避免相邻信号发生任何不必要的耦合。
• 相邻平面中信号的正交路由可以在很大程度上帮助避免串扰。

以下是减少信号衰减问题的设计指南：

• 选择低损耗介电材料和最佳电阻走线，以减少信号衰减误差。
• 在设计中使用放大器和中继器有助于提高信号强度。

以下是减少传播延迟和信号偏移的设计指南：

• 避免使用具有较大介电常数的基板，以帮助减少信号的传播延迟。
• 通过正确的走线长度匹配，可以最小化信号总线的偏移。

下面列出了减少接地反弹和开关噪声问题的设计指南：

• 在决定电路板层的叠层时，将电源层和接地层彼此靠近放置。
• 去耦电容不是可选的，必须在本地接地上实现。
• 最好将去耦帽放置在元件引脚附近，并尽可能使用短引线的器件封装。
• 添加必要的限流电阻以避免短路或过载。

本文展示了PCB 设计指南如何帮助提高电路板的信号完整性。它涉及一系列步骤，例如基板选择、叠层设计、组件考虑和布局设计。此外，还有多种仿真工具可用于分析 PCB 的信号完整性问题。因此，仔细遵循所有这些指导方针将导致 PCB 具有改进的信号完整性和持久的性能。

Ken Ghadia是Technotronix的销售工程师。