上一期我们简单的介绍了[高速PCB设计是什么，如何评估，这一期我们介绍PCB设计的信号完整性问题

1. 信号完整性定义

信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指在电子系统中，信号从源端到接收端的传输过程中，能够保持其原始特性和质量的能力。信号完整性涉及到信号在传输过程中是否能正确无误地传递，从根本上说，在 PCB 设计阶段必须注意信号完整性问题。一旦 PCB 设计完成，就几乎无法提高信号完整性。

更确切地说，信号完整性是对电子印刷电路板中电信号质量的测量。在数字电子学中，一组二进制值由电压（或电流）波形表示。然而，数字信号本质上是模拟信号，所有信号都会受到噪声、失真和损耗等影响。

• 在短距离和低比特率时，简单的传输线可以传输足够的保真度。在高比特率和较长距离时，传输线可以产生不同的效果，并将电信号降级到出现错误和系统或设备失效的地步。
• 并且随着速度的增加，高频效应会取而代之，即使最短的线路也会出现振铃、串扰、反射和地弹等多种问题，严重阻碍信号的完整性
• 上图是一个很典型的例子，噪声B的引入导致原来的信号A变成了C，导致了数据的误判，可能会引发错误的操作。

2. 信号完整性的需求

信号完整性的需求只有一个，即保证信号可以无失真的传播（当然这是不可能的，我们能做的只有让失真在可接受的范围内即可）。当PCB存在信号完整性问题时，它可能无法按照预期工作，有可能在原型阶段有效，在批量生产中失效；或者在实验室内有效，实际投入使用时失效。

当出现下面几种情况时，可以认为信号以及失去其完整性：

• 信号被扭曲，即实际信号波形与所需的波形不同，发生了形变
• 不需要的电信号叠加在信号上，从而使得信号的信噪比（S/N）降低
• 它会为PCB上其他的信号和电路产生不必要的噪声，即发生了串扰

PCB被认为具有必要的信号完整性，当：

• 其中的所有信号传播无失真
• 其设备和互连不受来自附近其他电气产品的外来电气噪声和 EMI（电磁干扰）的影响
• 它不会在连接到它或存在于其附近的其他电路/电缆/产品中产生、引入或辐射 EMI

3. 导致PCB中信号完整性的问题

PCB 中信号完整性问题的最重要原因可能是更快的信号上升时间。当电路和设备在中低频率下工作，具有中等的上升和下降时间时，由于 PCB 设计引起的信号完整性问题很少成为问题。然而，当我们在高频（RF 和更高）频率下工作时，信号上升时间要短得多，PCB 设计导致的信号完整性成为一个非常大的问题。

一般来说，快速的信号上升时间和高信号频率会增加信号完整性问题。出于分析目的，可以将各种信号完整性问题分为以下几类。

3.1 阻抗不连续

正如之前提到的，如果信号在传播过程中遇到阻抗不连续性，它将遭受反射，从而导致振铃和信号失真。线路阻抗的不连续性将在以下情况中发生：

1. 当信号在其路径中遇到过孔时
2. 当信号分支成两条或多条线时
3. 当信号返回路径平面遇到不连续性，如分割时
4. 当线路残端连接到信号线并且是驱动器开关速度波长的 1/4 时
5. 当信号线开始于源端时
6. 当信号线终止于收端时
7. 当信号和返回路径连接到连接器引脚时

而且，信号上升时间越快，阻抗不连续性引起的信号失真就越大。可以通过以下方式最大限度地减少由于线路阻抗不连续而导致的信号失真：

1. 通过使用更小的微孔和高密度互联板 HDI（High Density Interconnector）PCB 技术，最大限度地减少由通孔和过孔残端引起的不连续性的影响。
2. 减少走线残端长度。
3. 当在多个位置使用信号时，以菊花链方式而不是多点分支绘制走线。
4. 在源头处正确端接电阻器。
5. 使用差分信号和紧密耦合的差分对，它们本质上更不受信号返回路径平面中的不连续性的影响。

3.2 反射、振铃、过冲

1. 反射(Reflection)

反射是指当信号在传输线中传输时，一些信号功率可能会反射回其发射器，而不是沿着走线一直带到远端。每当电路中的阻抗发生变化时，就会发生一定量的反射。反射信号将返回，直到遇到阻抗的另一次变化并再次被反射。反射可能会带来信号的失真，并且可能会引起过冲和下冲。

减小反射的方法：

• 保持传输线上恒定的阻抗
• 保持传输线有一个良好的地面平整度
• 使用串联终端电阻并放在源点附近

2. 振铃（Ringing）

振铃是一种电压或电流输出，当在示波器上看到时，它会像池塘上的涟漪一样振荡。振荡是对输入信号突然变化的响应，例如打开或切换。

振铃是驱动器离接收器比 1/4 波长更远的结果。这导致一阶反射超过返回驱动器的入射波，并成为返回接收器的较低电压的耗尽波，直到所有能量最终进入接收器，在导体和电介质中转化为热量，或大部分辐射。

振铃的影响：

• 信号失真：振铃会导致信号的波形扭曲，特别是在数字电路中，原本清晰的高/低电平转换可能因为振铃而变得模糊不清。可能导致接收器无法正确识别信号，从而引发数据错误或系统故障。
• EMI干扰：振铃可能会在电路中产生不必要的电磁干扰（EMI），这种噪声会通过电磁辐射或传导的方式影响周围其他信号通道。这可能对其他敏感电路造成干扰，降低整个系统的性能。
• 时序问题：振铃可能导致时序上的偏移，使得信号的到达时间不稳定，进一步引发时钟同步问题或数据传输错误。特别是在高速信号传输中，时序偏差可能使系统无法按预期工作，出现同步失败或数据丢失。
• 功率消耗：振铃通常伴随能量的反复震荡，增加了不必要的功率消耗。尽管这种功率消耗相对较小，但在高频、高速的电路中，可能会导致热量的积累和效率的降低。

振铃产生的原因：

• 阻抗不匹配：当信号在传输线或电路元件之间跳跃时，如果阻抗不匹配，信号会发生反射，从而引发振铃。
• 过冲现象：当信号电平发生迅速变化时，系统可能会因为过度响应产生振铃，特别是在开关或时钟信号中。
• 寄生电感和电容：在电路中，元器件或导线的寄生电感和电容可能导致信号反射，从而引发振铃。

减少振铃的措施：

• 阻抗匹配：确保信号线的阻抗与源和接收端的阻抗匹配，以减少反射现象。
  使用终端电阻：

• 终端电阻：在信号传输线的末端加入终端电阻，帮助吸收反射的信号，减少振铃现象。

• 适当的驱动电流：控制信号驱动电流的强度，避免过度的电流变化，以减少过冲和振铃。

• 滤波器设计：在信号路径中加入低通滤波器，抑制高频噪声，减轻振铃的影响。

• 优化PCB布局：合理布线，减少信号的路径长度，避免不必要的接地不良或回流路径，尽量减少寄生电容和电感的影响。

3. 过冲（Overshooting and Undershooting）

过冲分为上冲和下冲，指的是信号的理论瞬时转换允许最大上下幅度。上冲是指信号从较低值传输到较高值，并且传输信号的值大于实际值时，会发生过冲；下冲是指信号从较高值传输到较低值，并且传输信号的值大于实际值时，将发生下冲。

3.3 串扰

在一个通道或传输系统中的电路中传输的一个信号会对另一个电路或通道产生不良影响，如下图：

**当从干扰源信号的能量耦合到受干扰信号（通常是两个彼此靠近的轨道）时，就会发生串扰。**电场通过信号之间的互电容耦合。另一方面，磁场通过信号之间的互感耦合。

• 互容：当两条走线彼此平行并由电介质隔开时，它们的行为类似于电容器的平行板，当走线处于两个不同的电压时，它们之间会产生电场。由于电场变化，其中一条走线中的任何电压变化都会在另一条走线上感应出电流。两条走线之间的这个电容称为互容。
• 互感：承载电流的走线周围有一个磁场。如果有另一条走线靠近承载电流的第一条走线，则该磁场将与第二条走线耦合。根据法拉第定律，如果第一条走线中的电流发生变化，磁场就会发生变化，这将在第二条走线上感应出电压。由磁场耦合走线产生的电感称为互感。

减少串扰的方法：

1. 在布线限制允许的范围内，尽可能增加信号线之间的间距。空间中能量的大小以距离的平方衰减（最好是遵循3W原则）
2. 设计传输线时，导体应尽可能靠近地平面放置。这将传输线紧紧耦合到接地层，并将其与相邻信号去耦（走线要参考完整地平面，不要跨分割）
3. 尽可能实施差分布线技术（差分可以减小干扰）
4. 为避免耦合，信号应在不同的层上彼此正交布线（相邻层之间最好正交走线）
5. 减少信号之间的并行运行长度。
6. 选用介电常数比较小的PCB材料

3.4 过孔残桩（Stub）

• 当传送信号从顶层开始并以某个内层结束时，从内层到底层的剩余部分是过孔残端（Stub）。

• 残端是单片导体，除非有一对相邻的过孔-一个接地和一个信号-或者一个信号过孔和一个接地层，否则磁场不会看到残端，除非阻抗非常高。

• 过孔残端的作用类似于具有特定谐振频率的谐振电路，在该频率下，它在其中存储最大能量。如果信号在该频率或附近具有重要分量，则由于过孔残端在其谐振频率下的能量需求，该信号分量将严重衰减。

除了过孔的Stub，在PCB布线的时候，也应该避免多余的线头，这些线头有着和Stub类似的作用，并且可能会作为天线产生电磁污染，造成EMI问题。

3.5 偏移（Jitter）和抖动(Skew)

信号在 PCB 上从源传输到接收器时需要有限的时间。信号延迟与信号线长度成正比，与特定PCB 层上的信号速度成反比。如果数据信号和时钟信号在整体延迟上不匹配，它们将在不同的时间到达接收器进行检测，这将导致信号抖动；而过度的抖动会导致信号采样误差。随着信号速度的提高，采样率也越来越高，允许的偏移变得更小，从而导致更大的偏移倾向。

要想减小信号的抖动，最好的方式是进行信号延迟匹配，主要的手段是控制走线的长度尽可能一致。

3.6 信号衰减（Signal attenuation）

由于导电走线电阻（由于趋肤效应，在较高频率下增加，趋肤效应是指导体中的交流电或交变电磁场导致电流集中在导体表面的现象）和介电材料耗散因数 Df 引起的损耗，信号在 PCB 线路上传播时会受到衰减。这两种损耗都随着频率的增加而增加，因此信号的高频分量将比低频分量遭受更大的衰减;这会导致信号带宽降低，进而导致信号上升时间增加，从而导致信号失真；信号上升时间过长会导致数据检测错误。

当信号衰减是一个重要的考虑因素时，必须选择正确类型的低损耗高速材料，并适当控制走线几何形状，以最大限度地减少信号损失。

3.7 地弹（Ground Bounce）

当电路中的信号线发生快速电平变化（晶体管开关）时，可能会导致电源或接地回路中的电压波动，进而影响到系统的信号完整性。

具体来说，地弹是由于高速信号在地线（接地）系统中引发的瞬时电压波动或“抖动”现象。当电路中的开关元件（如逻辑门或芯片）改变状态时，电流迅速变化，导致电源或接地系统上的电压波动。这些电压波动可能会在接地线上传播，从而干扰其他电路或信号线，形成地弹现象。

可以通过下面几种方法减小地弹：

• 在电源和地之间添加去耦电容，并且靠近芯片引脚摆放，以减小电压波动
• 集成串联的限流电阻器，控制回路中电流的变化
• 将去耦电容器放置在靠近引脚的位置
• 采用低阻抗的地面设计，并尽量缩短地线的路径，确保电流能够快速流回地面。
• 合理安排地线与信号线，避免信号线与大电流回路并行布线，以减小干扰

3.8 电源和地分配网络

电源轨和接地轨/路径/平面具有非常低但有限的非零阻抗。当器件的输出信号和内部栅极切换状态时，通过电源轨和接地轨/路径/平面的电流会发生变化，从而导致电源和接地路径中的电压下降。这将降低器件的电源和接地引脚两端的电压。此类实例的频率越高，信号转换时间越快，同时切换状态的线路数量越多，电源轨和接地轨上的电压下降就越大。这将降低信号的噪声裕量，如果噪声过大，会导致设备故障。

为了减少这些影响，电源分配网络的设计必须使电源系统的阻抗最小：

• 电源层和接地层应尽可能靠近放置
• 应在电源轨和接地轨上使用多个低电感去耦电容器，并且它们应尽可能靠近器件电源和接地引脚放置
• 使用引线较短的设备封装

3.9 EMI噪声

EMI (Electromagnetic Interference)，即电磁干扰，是指由于电磁场的变化而引起的对其他电子设备或电路的干扰。

EMI 随着频率和信号上升时间的加快而增加：

• 对于单端信号电流，辐射远场强度（far-field）随频率线性增加；
• 对于差分信号电流，辐射远场强度随频率呈平方增长。