电路板级的信号完整性问题和仿真分析

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1、电路板级的信号完整性问题和仿真分析今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题己成为PCB设计者必须面对的问题。信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路歼关速度的加快，产生了信号完整性问题。常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。这里以AltiumDesigner6.0工具为例，介绍分析解决部分信号

2、完整性问题的方法。关键词：信号完整性AltiumDesigner6.0仿真分析［］059［］A［］1000-7326(2012)04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。特别是1C芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟

3、电路中，釆用的是单频或窄频带信号,我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。但是今天，随着GHz时代的到来，很多1C的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。一、信号完整性定义信号完整性是指在信号线上的信号质量，是信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应的能力。也就是信号能够按照时序要求定吋到达，同吋具冇较好的信号波形。比如数字脉冲的时间和振幅一

4、致，没有偏差和抖动，并且快速干浄的跳变。所以信号完整性问题的真正起因是不断缩减的信号上升与下降吋间。差的信号完整性不是由单一因素导致的，而是电路板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。二、常见信号完整性问题1、反射由于信号源端和负载端阻抗不匹配（阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态），导致在传输线上阻抗不连续，引起信号在线上的反射，负载端将一部分电压反射冋信号源端，造成电平的抬高，对元件产生破坏性的影响。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。冋吋由于信号的频率很高吋，则信号的

5、波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1所示。根据前面的分析，可知如果信号传输过程中感受到阻抗的变化，就会发生信号的反射。这个信号可能是信号驱动端发出的信号，也可能是负载端反射冋来的反射信号。根据反射系数的公式，当信号感受到阻抗变小，就会发生负反射，反射的负电压会使信号产生下冲。这里我们用理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。在图2中，理想传输线L被内阻为r的数字信号驱动源US驱动，传输线的特性阻抗为Z,负载阻抗为RL。负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端（B点）反射一部分信号冋

6、信号源端(A点h反射电压信号的幅值由负载反射系数F1决定：(1.1)式中F1称为负载电压反射系数，它实际上是反射电压与入射电压之比。由式(1.1)可见，-l≤Fl≤+l,当RL=Z吋，F1=O,不会发生反射。即只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。当RL<Z吋，Fl<O,处于过阻尼状态，反射波极性为负；当RL>Z时，Fl>O,处于欠阻尼状态,反射波极性为正。当从负载端反射冋的电压到达信号源端吋，又将再次反射冋负载端，形成二次反射波，此时反射电压的幅值由信号源反射系数F2决定：(1.2)由上分析可知只要负载反射系数或信号源反射系数二者任一为零，

7、则反射都将被消除。因此在传输线的端接中通常采用两种策略：负载端并行端接匹配、信号源端串行端接匹配。分析两种端接策略，各旮其优缺点。不过由于并行端接的匹配网络需要与电源连接，使用较为复杂；串行端接只需要在信号源端串入一个电阻，消耗功率小而II易于实现，故而在实际工程被广泛采用。2、串扰当我们对电路板进行测量吋，冇时会发现某根信号线，本来没冇输出信号，但在仪器上会显示幅度很小的规则波形，好像有信号输出。如果我们测