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隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在很多應(yīng)用中，人們考慮的不再是功能和性能，而是可靠性和兼容性。印制電路板(print circuit board，PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的基本支撐件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量往往直接影響嵌入式系統(tǒng)的可靠性和兼容性。以往，一些低速電路板中，時(shí)鐘頻率一般只有10 MHz左右，電路板或封裝設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)就是如何在雙層板上布通所有的信號(hào)線以及如何在組裝時(shí)不破壞封裝。由于互連線不曾影響系統(tǒng)性能，所以互連線的電氣特性并不重要。在這種意義下對(duì)信號(hào)低速電路板中的互連線是暢通透明的。但是隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，采用的電路基本上都是高頻電路，由于時(shí)鐘頻率的提高，信號(hào)上升沿也變短，印制電路對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)產(chǎn)生的容抗和感抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于印制電路本身的電阻，嚴(yán)重影響信號(hào)的完整性。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)鐘頻率超過(guò)100 MHz或上升沿小于1 ns時(shí)，信號(hào)完整性效應(yīng)就變得重要了。

在PCB中，信號(hào)線是信號(hào)傳輸?shù)闹饕d體，信號(hào)線的走線情況將直接決定信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)越，從而直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。不合理的布線，將嚴(yán)重引發(fā)多種信號(hào)完整性的問(wèn)題，對(duì)電路產(chǎn)生時(shí)序、噪聲和電磁干擾(EMI)等，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。對(duì)此，本文從高速數(shù)字電路中信號(hào)線的實(shí)際電氣特性出發(fā)，建立電氣特性模型，尋找影響信號(hào)完整性的主要原因及解決問(wèn)題的方法，給出布線中應(yīng)該注意的問(wèn)題和遵循的方法和技巧。

1 信號(hào)完整性

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量，即信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓電平作出響應(yīng)的能力，信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指在需要的時(shí)候具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。差的信號(hào)完整性不是由某一單一因素導(dǎo)致的，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的。信號(hào)完整性問(wèn)題體現(xiàn)在很多方面，主要包括延遲、反射、串?dāng)_、過(guò)沖、振蕩、地彈等。

延遲(Delay)：延遲是指信號(hào)在PCB板的傳輸線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響；傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度是影響時(shí)鐘脈沖相位差的最直接因素，時(shí)鐘脈沖相位差是指同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同步。時(shí)鐘脈沖相位差降低了信號(hào)沿到達(dá)的可預(yù)測(cè)性，如果時(shí)鐘脈沖相位差太大，會(huì)在接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)。

反射(Reflection)：反射就是信號(hào)在信號(hào)線上的回波。當(dāng)信號(hào)延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)跳變時(shí)間時(shí)，信號(hào)線必須當(dāng)作傳輸線。當(dāng)傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)功率(電壓或電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處，但是有一部分被反射了。若負(fù)載阻抗小于原阻抗，反射為負(fù)；反之，反射為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

串?dāng)_(Crosstalk)：串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起信號(hào)線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。串?dāng)_噪聲源于信號(hào)線網(wǎng)之間、信號(hào)系統(tǒng)和電源分布系統(tǒng)之間、過(guò)孔之間的電磁耦合。串繞有可能引起假時(shí)鐘、間歇性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等，對(duì)鄰近信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響。現(xiàn)實(shí)中，無(wú)法完全消除串?dāng)_，但可將其控制在系統(tǒng)所能承受的范圍之內(nèi)。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性、基線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

過(guò)沖(Overshoot)和下沖(Undershoot)：過(guò)沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓，對(duì)于上升沿，是指最高電壓；對(duì)于下降沿，是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值超過(guò)設(shè)定電壓。過(guò)分的過(guò)沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致其過(guò)早的失效。過(guò)分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(誤操作)。

振蕩(Ringing)和環(huán)繞振蕩(Rounding)：振蕩現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)的過(guò)沖和下沖。信號(hào)的振蕩即是由線上過(guò)渡的電感和電容引起的振蕩，屬于欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞振蕩，屬于過(guò)阻尼狀態(tài)。振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過(guò)適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

地電平反彈噪聲和回流噪聲：當(dāng)電路中有較大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地電平反彈噪聲，如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí)，將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過(guò)，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲，這樣會(huì)在真正的地平面上產(chǎn)生電壓波動(dòng)和變化，這個(gè)噪聲會(huì)影響其他元件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大，負(fù)載電阻的減小，地電感的增大，同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。

2 傳輸通道電氣特性分析

在多層PCB中，絕大部分傳輸線不僅只布置在單個(gè)層面上，而是在多個(gè)層面上交錯(cuò)布置，各層面間通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行連接。所以，在多層PCB中，一條典型的傳輸通道主要包括傳輸線、走線拐角、過(guò)孔3個(gè)部分。在低頻情況下，印制線和走線過(guò)孔可以看成普通的連接不同器件管腳的電氣連接，對(duì)信號(hào)質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生太大影響。但在高頻情況下，印制線、拐角和過(guò)孔就不能僅考慮其連通性，還應(yīng)考慮其高頻時(shí)電氣特性和寄生參數(shù)的影響。

2．1 高速PCB中傳輸線的電氣特性分析

在高速PCB設(shè)計(jì)中，不可避免地要使用大量的信號(hào)連接線，且長(zhǎng)短不一，信號(hào)經(jīng)過(guò)連接線的延遲時(shí)間與信號(hào)本身的變化時(shí)間相比已經(jīng)不能忽略，信號(hào)以電磁波的速度在連接線上傳輸，此時(shí)的連接線是帶有電阻、電容、電感的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，需要用分布參數(shù)系統(tǒng)模型來(lái)描述，即傳輸線模型。傳輸線用于將信號(hào)從一端傳輸?shù)搅硪欢耍?條有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線組成，一條稱為信號(hào)路徑，一條稱為返回路徑。在低頻電路中，傳輸線的特性表現(xiàn)為純電阻電氣特性。在高速PCB中，隨著傳輸信號(hào)頻率的增加，導(dǎo)線間的容性阻抗減小，導(dǎo)線上感性阻抗增加，信號(hào)線將不再只表現(xiàn)為純電阻，即信號(hào)將不僅在導(dǎo)線上傳輸，而且也會(huì)在導(dǎo)體間的介質(zhì)中傳播。如果信號(hào)頻率進(jìn)一步增加，當(dāng)jωL＞＞R，1／(jωC)＜

對(duì)于均勻?qū)Ь€，在不考慮外部環(huán)境變化的情況下，電阻R、傳輸線寄生電感L和寄生電容C平均分布(即L1=L2=…=Ln；C1=C2=…=Cn+1)。假設(shè)傳輸線為無(wú)損傳輸線，即R=0時(shí)，若取線參數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電容C1、單位長(zhǎng)度電感量L1和傳輸線的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)en，則有：

傳輸線總電容：



傳輸線總電感：



根據(jù)傳輸線的線參數(shù)和總長(zhǎng)度，可計(jì)算傳輸線的特性阻抗Z0和時(shí)延TD，公式如下：

由以上公式可以明顯看出，增大電容，減小電感，可以減小特性阻抗；減小傳輸線總長(zhǎng)度，以及電容、電感，均可以減小信號(hào)線上的傳輸時(shí)延。

2．2 高速PCB中過(guò)孔的電氣特性分析

過(guò)孔，通常是指印刷電路板中的一個(gè)孔，它是多層PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。過(guò)孔可以用來(lái)固定安裝插接元件或連通層問(wèn)走線。從工藝層面來(lái)看，過(guò)孔一般分為三類：盲孔、埋孔和通孔。盲孔是指位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路與下面內(nèi)層線路的連接，孔的深度與孔徑通常不超過(guò)一定的比率。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路板的表面。通孔穿過(guò)整個(gè)線路板，可用于實(shí)現(xiàn)層間走線互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以一般印制電路板均使用通孔，而不用另外兩種過(guò)孔。以下所說(shuō)的過(guò)孔，均作為通孔考慮。

過(guò)孔作為一段特殊的傳輸線，在高速電路中，過(guò)孔不但產(chǎn)生對(duì)地的寄生電容，同時(shí)也存在著寄生電感，其電氣特性的等效模型如圖2所示。

過(guò)孔的寄生電容給電路造成的影響主要是使數(shù)字信號(hào)上升沿減慢或變差，降低了電路的速度。過(guò)孔的寄生電容值越小，影響越小。若過(guò)孔在鋪底層上的隔離孔直徑為DG，過(guò)孔焊盤的直徑為Dv，PCB厚度為H，板基材料介電常數(shù)為ε，則過(guò)孔寄生電容C的大小近似于：

過(guò)孔寄生電感的主要影響是降低了電源旁路電容的有效性，使整個(gè)電源供電濾波效果變差。若L為過(guò)孔的寄生電感，h是過(guò)孔的長(zhǎng)度，DH是中心鉆孔的直徑，則可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感：

從上式可以看出，過(guò)孔直徑對(duì)電感的影響較小，過(guò)孔長(zhǎng)度對(duì)電感影響較大。在PCB中，通常旁路電容一端通過(guò)一個(gè)通孔連接到地平面，另一端也通過(guò)一個(gè)通孔連接到電源平面，因此通孔電感的影響會(huì)增加1倍。

2．3 傳輸線拐角對(duì)傳輸通道信號(hào)完整性問(wèn)題的貢獻(xiàn)

當(dāng)信號(hào)沿均勻連線傳播時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生反射和傳輸信號(hào)的失真。但傳輸線上的拐角會(huì)使傳輸線處的阻抗發(fā)生變化，致使信號(hào)出現(xiàn)部分反射和失真。根據(jù)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電容C1(單位：pF／in)，導(dǎo)線線寬ω(單位：in)，可通過(guò)下面公式簡(jiǎn)單估算每個(gè)拐角的寄生電容Ccorner：

在高密度電路板中信號(hào)線線寬較窄時(shí)，其拐角的寄生電容量引起的時(shí)延累加一般不太可能對(duì)信號(hào)完整性有很大影響。但對(duì)于高頻敏感電路，如高頻時(shí)鐘線路，應(yīng)考慮拐角寄生電容所產(chǎn)生的累加效應(yīng)。

3 利用布線技巧抑制信號(hào)完整性問(wèn)題

當(dāng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)源輸出時(shí)，構(gòu)成信號(hào)的電流和電壓將互連線看作一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號(hào)沿阻抗網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)，它不斷感受到互連線所引起的瞬態(tài)阻抗變化。如果信號(hào)感受到的阻抗保持不變，則信號(hào)不失真。一旦阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就會(huì)在變化處產(chǎn)生反射，并在通過(guò)互連線的剩余部分時(shí)發(fā)生失真。如果阻抗改變程度足夠大，失真就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的觸發(fā)。在信號(hào)完整性優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是：將所有的互連線都設(shè)計(jì)成均勻傳輸線，并減少所有非均勻傳輸線的長(zhǎng)度，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)所感受到的阻抗保持不變。基于此，可以歸結(jié)出一些利用布線技巧抑制信號(hào)完整性問(wèn)題的方法：印制導(dǎo)線的走線形狀不要纏結(jié)、分支或硬拐角，盡量避免T形線和樁線；盡量保持同一網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線的線寬，減少線寬變化；減少傳輸線長(zhǎng)度，增大導(dǎo)線寬度；要盡量增大導(dǎo)線間的距離；盡量減少高速信號(hào)線的過(guò)孔及拐角，減少信號(hào)線的層間轉(zhuǎn)換；合理選擇過(guò)孔的尺寸大小；減小信號(hào)環(huán)路面積及環(huán)路電流。總之，任何改變橫截面或網(wǎng)絡(luò)幾何形狀的特征都會(huì)改變信號(hào)所感受到的阻抗。布線中減少信號(hào)完整性問(wèn)題的重點(diǎn)就是減少傳輸線上的阻抗突變，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)所感受到的阻抗保持不變。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，信號(hào)完整性成為嵌入式系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容，影響著整個(gè)PCB設(shè)計(jì)的成敗。在電路確定、元器件選定、PCB布局確定的情況下，可通過(guò)布線技巧來(lái)抑制信號(hào)完整性問(wèn)題的出現(xiàn)，提高PCB的可靠性，將信號(hào)完整性問(wèn)題引發(fā)的損失降到最低。