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浅析关于PCB上的信号完整性问题

PCB上的信号完整性问题主要包括时延、阻抗不匹配、地弹跳串音等。信号完整性问题会影响电子器件的稳定工作。
  (1)信号时延:对于高频信号,传输时延应该是电路设计者考虑的最基本的问题之一。传输时延与信号线的长度、信号传输速度的关系如下:
  式中:c—真空中的光速;
  εreff有效的相对电导率;
  lp—信号线的长度。
  εreff与传输线周围介质有关,对于微带传输线来说,ε介于板的相对电导率与空气相对电导率之间。在大多数系统中,信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差(colock skew)的最直接因素。时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号,到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性,如果时钟脉冲相位差太大,会在接收端产生错误的信号。传输线时延已经成为时钟脉冲周期(Clock Cycle)中的重要部分。
图1 传输时延对信号的影响
图2 反射引起的振铃现象
  (2)阻抗不匹配:阻抗不匹配可以由驱动源,传输线和负载的阻抗不同引起,也可由传输线的不连续例如导通孔、短截线 引起,另外由于返回路径上局部电感、电容的变化,返回路径不连续也会导致阻抗不连续。这种阻抗的不匹配,会导致反射和阻尼振荡。反射会引起信号的振铃Ringing 现象,即在稳态信号上下产生的电压过冲和下冲现象,如图2所示。为了将电压的过冲/下冲限制在合理的范围内(不超出稳态值的l0%~15%),应该遵循下面这样一个原则:信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延。即: tr≤2lp/tppd
  式中:tr—指信号的上升时间;
  lp—信号线的长度;
  tppd—信号线单位长度引起的延时。
  振铃现象可能会导致误触发,为了消除振铃现象的影响,方法之一就是等待信号稳定下来,但这又会减小系统最大可能的时钟速率。
  (3)地弹跳(Gound Bounce):所谓地弹跳,是指在某一集成电路开关时,由于PCB的地线以及集成电路的接地引线具有一定的电感,相应会引起器件内部地电位短暂的冲击或下降。而来自其它器件的输入驱动信号,或者由此器件输出信号所驱动的其他器件,都是以外部系统地为参考的。这种参考地电位的不一致,可能会导致器件的输入门槛或输出电平的改变,从而给高速PCB的设计带来问题。对于电源来说,也存在类似的问题。
  (4)串音:通常可分为两部分,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起决定作用。电磁场耦合又可分为电感耦合与电容耦合。串音属于近场问题,在PCB0上,串音与线的长度、线的间距、线中传输信号的方向以及参考地平面的状况有关。例如地平面上的裂缝(Split)会使跨越裂缝的邻近线路的串音增加,引起信号波形畸变。