PCB科技 - 如何提高嵌入式系統PCB的信號完整性

隨著電子技術的不斷進步, 越來越多的領域將應用於嵌入式系統. 在眾多應用中, 人們不再考慮功能和效能, 但是可靠性和相容性. 然後, 如何提高訊號的完整性 嵌入式系統PCB 通過佈線科技已成為一個“重要問題”."

眾所周知，PCB是電子產品中電路元器件的基本支撐，其設計質量往往直接影響到嵌入式系統的可靠性和相容性。 過去，在一些低速電路板中，時鐘頻率通常只有10 MHz左右。 電路板或封裝設計的主要挑戰是如何在雙層板上佈線所有訊號線，以及如何在組裝過程中不損壞封裝。

由於互連線從不影響系統性能，囙此互連線的電力特性並不重要。 從這個意義上講，訊號低速電路板中的互連線是平滑和透明的。 然而，隨著嵌入式系統的發展，使用的電路基本上都是高頻電路。 隨著時鐘頻率的新增，訊號的上升沿變短，印刷電路對通過訊號產生的電容電抗和電感將遠大於印刷電路本身的電阻，嚴重影響訊號的完整性。 對於嵌入式系統，當時鐘頻率超過100 MHz或上升沿小於1 ns時，信號完整性效應變得非常重要。

在PCB中，訊號線是訊號傳輸的主要載體，訊號線的佈線將直接决定訊號傳輸的優越性，直接影響整個嵌入式系統的效能。 不合理的佈線會嚴重導致各種信號完整性問題，並對電路造成定時、雜訊和電磁干擾（EMI），這將嚴重影響嵌入式系統的效能。 在這方面，本文從高速數位電路中訊號線的實際電力特性出發，建立電力特性模型，找出影響信號完整性的主要原因和問題的解決方案，並關注佈線中的問題以及遵循的方法和科技。

信號完整性

信號完整性是指訊號線上訊號的質量，即訊號以電路中正確的定時和電壓水准作出響應的能力。 具有良好信號完整性的訊號意味著它具有需要時必須達到的電壓水准值。 信號完整性差不是由單個因素引起的，而是由板級設計中的多個因素引起的。 信號完整性問題反映在許多方面，包括延遲、反射、串擾、超調、振盪和地面反彈。

延遲：延遲意味著訊號在PCB板的傳輸線上以有限的速度傳輸。 訊號從發送端發送到接收端，在此期間存在傳輸延遲。 訊號延遲會影響嵌入式定時； 傳輸延遲主要取決於導線的長度和導線周圍介質的介電常數。 在高速數位系統中，訊號傳輸線的長度是影響時鐘脈衝相位差的最直接因素。 時鐘脈衝的相位差是指同時生成的兩個時鐘訊號到達接收端的時間不同步。 時鐘脈衝相位差降低了訊號邊緣到達的可預測性。 如果時鐘脈衝相位差過大，則在接收端將產生錯誤訊號。

反射：反射是訊號線上訊號的回波。 當訊號延遲時間遠長於訊號過渡時間時，必須將訊號線用作傳輸線。 當傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不匹配時，部分訊號功率（電壓或電流）被傳輸到線路並到達負載，但部分訊號功率被反射。 如果負載阻抗小於原始阻抗，則反射為負； 否則，反射為正。 佈線幾何形狀的變化、不正確的接線端接、通過連接器的傳輸以及電源平面中的不連續性都可能導致此類反射。

串擾：串擾是兩條訊號線之間的耦合, 訊號線之間的互感和電容會在訊號線上產生雜訊. 電容耦合引起耦合電流, 電感耦合產生耦合電壓. 串擾雜訊源於訊號線網絡之間的電磁耦合, 訊號系統和配電系統之間, 以及通孔之間. 交叉繞組可能導致時鐘錯誤, 間歇性數據錯誤, 等., 這可能會影響相鄰訊號的傳輸質量. 實際上, 串擾 cannot be completely eliminated, 但它可以控制在系統能够承受的範圍內. 參數 PCB層, 訊號線間距, 驅動端和接收端的電力特性, 而基線終止方法都對串擾有一定的影響.

過沖和欠沖：過沖是超過設定電壓的第一個峰值或穀值。 對於上升沿，它是指最高電壓； 對於下降沿，它指的是最低電壓。 下沖是指下一個穀值或峰值超過設定電壓。 過沖會導致保護二極體工作，導致其過早失效。 過多的欠調可能會導致錯誤的時鐘或數據錯誤（誤操作）。

振盪和環形振盪：振盪現象是重複的過沖和欠沖。 訊號振盪是由線路過渡的電感和電容引起的振盪，屬於欠阻尼狀態，周圍振盪屬於過阻尼狀態。 振盪和環繞振盪也是由反射等多種因素引起的。 振盪可以通過適當的終止來减少，但不可能完全消除。

接地反彈雜訊和回波雜訊：當電路中有大電流浪湧時，會引起接地反彈雜訊。 例如，當大量晶片輸出同時開啟時，晶片和電路板之間會有很大的瞬態電流。 如果功率平面流過，晶片封裝和功率平面的電感和電阻將引起功率雜訊，這將在實際接地平面上產生電壓波動和變化，並且該雜訊將影響其他組件的動作。 負載電容的新增、負載電阻的降低、接地電感的新增以及開關器件數量的新增都會導致接地反彈的新增。

傳輸通道電特性分析

在多層PCB中，大多數傳輸線不僅佈置在單個層上，而且在多個層上交錯排列，每個層通過過孔連接。 囙此，在多層PCB中，典型的傳輸通道主要包括3部分：傳輸線、佈線角和通孔。 在低頻情况下，印刷線路和跟踪過孔可以被視為連接不同設備引脚的普通電力連接，這對訊號質量沒有太大影響。 然而，在高頻情况下，印刷線路、拐角和過孔不僅應考慮其連通性，還應考慮其電力特性和高頻寄生參數的影響。

輸電線路電力特性分析 高速PCB

在高速PCB設計中，不可避免地要使用大量的訊號連接線，並且它們的長度不同。 與訊號本身的變化時間相比，訊號通過連接線的延遲時間不能忽略。 訊號以電磁波的速度在連接線上。 對於傳輸，此時的連接線是一個具有電阻、電容和電感的複雜網路，需要用分佈參數系統模型，即傳輸線模型來描述。

傳輸線用於將訊號從一端傳輸到另一端。 它由兩條具有一定長度的導線組成，一條稱為訊號路徑，另一條稱為返回路徑。 在低頻電路中，傳輸線的特性表現為純電阻電力特性。 在a中，隨著傳輸訊號的頻率新增，導線之間的電容阻抗降低，導線上的電感阻抗新增。 訊號線將不再只是一個純電阻，也就是說，訊號不僅會在導線上傳輸，還會在導體之間的介質中傳播。 如果訊號頻率進一步新增，當j L>>R，1/（j C）<對於均勻導線，無論外部環境變化如何，傳輸線的電阻R、寄生電感L和寄生電容C均勻分佈（即L1=L2=Ω=Ln；C1=C2=Ω=Cn+1）。