pcb信号完整性分析与设计

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1、声明独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关

2、部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：邋：尘：!翌日期：趟=生缨：第一章绪论1．1．课题的研究背景随着人们对电子设备的小型化和多功能化要求越来越高，当今的电子系统正朝着高速化和小体积化的方向发展。沿着这个方向，现代电子系统的信号速率、时钟速率和集成电路的输出开关速度也在不断增加。从数字系统的

3、工作频率看，越来越多的系统工作在lOOMitz以上，约50％的设计时钟频率都超过了50MHz，有近20％的设计主频超过了120mHz。信号边沿也变得越来越陡峭，目前信号的最小切换时间已经达到皮秒级。电子系统中系统时钟频率迅速提高和信号边沿不断变陡，使得PCB的信号走线和基板材料的特性对系统电气性能的影响越来越大。对于低频设计，信号走线和基板材料的影响可以不予考虑，但当信号频率超过50MHz时，信号的走线就必须考虑其传输线效应，而在评定系统性能时也必须考虑电路板基材的电参数。另一方面，随着芯片制造与芯片封装技术的不断进步，芯片体积在不断减小，引脚数目在不断增多，这导致了PCB上

4、的元件密度和信号线密度不断增大。元器件的布局密度不断增大，彼此间的间隔变得越来越小，相互间的电磁感应和电磁干扰就越来越严重。可见，当前电子系统的发展为PCB的设计带来了一个问题，即信号频率上升、体积减小和布线密度增大，使得PCB的信号完整性问题越来越突出nH引。电子系统如果没有良好的信号完整性，就不能良好的工作，甚至根本不能工作。现代PCB设计时必须充分考虑信号完整性。然而影响PCB信号完整性的因素很多。诸如元器件的电磁特性、基板材料的特性、元器件的布局位置以及信号的布线状况等因素都会影响到PCB的信号完整性。因此，在PCB设计时如何快速的分析电路板的信号完整性、采取有效的信

5、号完整性设计方法已经成为当今PCB设计领域中研究的热门课题瞄’。1．2．信号完整性概述及其研究现状信号完整性(SignalIntegrity，SI)是指信号在信号线上传输的质量。对于数字电路，就是要信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端，就表明该电路具有较好的信号完整性。反之，就说明出现了信号完整性问题。在数字电路中，信号完整性问题主要表现为振铃、过冲、欠冲、时延、同步切换噪声和地弹等现象。为了正确识别和处理数据，IC要求数据在时钟边沿前后处于稳定状态。这段时间内如果信号不稳定或状态发生改变，IC就可能误判甚至丢

6、失部分数据。在高速数字电路中，信号能以要求的时序、持续时间和电压北京邮电大学硕十学位论文幅度到达IC时，该电路就有很好的信号完整性。如出现诸如振荡、过冲、下冲等信号完整性问题(如图1-1所示)，就会造成时钟间歇振荡，从而导致电路误触发和接收数据出错。此外，数字电路中逻辑器件内部和PCB上的其他数字信号在进行同步切换时，因电源线和地线的阻抗以及器件的引线电感会在系统中产生同步切换噪声(SSN)，在地线上引起地弹噪声。诸如此类的信号问题会严重影响电路的性能H1。电压建立时间廿太，、f．4--．一‘蠢-A，、一l及。Xo}／≮i＼二二‘1I广∑二，’＼^一VV一逻辑。o，V时闻图卜

7、1数字电路中的信号完整性问题差的信号完整性一般不是由某一单一因素导致的，而是电路板中的多种因素共同引起的。从形成机理上看，引起电路板信号完整性问题的原因主要是电路板上的串扰耦合、信号反射和电磁干扰(EMI)H¨朝嘲。相应地，研究和解决电路板的信号完整性问题也需要从这三方面来研究，并采取相应的措施。1．2．1．串扰问题及其研究串扰是信号线间的耦合，是由信号线之间的互感和互容引起的噪声。串扰耦合通常可分为两种，即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的，这种耦合通常在低频时