文档介绍：确保信号完整性的电路板设计准则
信号完整性(SI)问题解决得越早,设计的效率就越高,从而可避免在电路板设计完成之后才增加端接器件。SI 设
计规划的工具和资源不少,本文探索信号完整性的核心议题以及解决 SI 问题的几种方法,在此忽略设计过程的
技术细节。
• SI问题的提出
•设计前的准备工作
•电路板的层叠
•串扰和阻抗控制
•重要的高速节点
•技术选择
•预布线阶段
•布线后SI仿真
•后制造阶段
•模型的选择
•未来技术的趋势
作者:Jon Powell
SI 问题的提出
随着 IC 输出开关速度的提高,不管信号周期如何,几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。即使过去你没有遇
到 SI 问题,但是随着电路工作频率的提高,今后一定会遇到信号完整性问题。
信号完整性问题主要指信号的过冲和阻尼振荡现象,它们主要是 IC 驱动幅度和跳变时间的函数。也就是说,即
使布线拓扑结构没有变化,只要芯片速度变得足够快,现有设计也将处于临界状态或者停止工作。我们用两个实
例来说明信号完整性设计是不可避免的。
实例之一:在通信领域,前沿的电信公司正为语音和数据交换生产高速电路板(高于 500MHz),此时成本并不特
别重要,因而可以尽量采用多层板。这样的电路板可以实现充分接地并容易构成电源回路,也可以根据需要采用
大量离散的端接器件,但是设计必须正确,不能处于临界状态。
SI 和 EMC 专家在布线之前要进行仿真和计算,然后,电路板设计就可以遵循一系列非常严格的设计规则,在有
疑问的地方,可以增加端接器件,从而获得尽可能多的 SI 安全裕量。电路板实际工作过程中,总会出现一些问
题,为此,通过采用可控阻抗端接线,可以避免出现 SI 问题。简而言之,超标准设计可以解决 SI 问题。
实例之二:从成本上考虑,电路板通常限制在四层以内(外面两层分别是电源层和接地层)。这极大限制了阻抗控
制的作用。此外,布线层少将加剧串扰,同时信号线间距还必须最小以布放更多的印制线。另一方面,设计工程
师必须采用最新和最好的 CPU、内存和视频总线设计,这些设计就必须考虑 SI 问题。
关于布线、拓扑结构和端接方式,工程师通常可以从 CPU 制造商那里获得大量建议,然而,这些设计指南还有
必要与制造过程结合起来。在很大程度上,电路板设计师的工作比电信设计师的工作要困难,因为增加阻抗控制
和端接器件的空间很小。此时要充分研究并解决那些不完整的信号,同时确保产品的设计期限。
下面介绍设计过程通用的 SI 设计准则。
设计前的准备工作
在设计开始之前,必须先行思考并确定设计策略,这样才能指导诸如元器件的选择、工艺选择和电路板生产成本
控制等工作。就 SI 而言,要预先进行调研以形成规划或者设计准则,从而确保设计结果不出现明显的 SI 问题、
串扰或者时序问题。有些设计准则可以由 IC 制造商提供,然而,芯片供应商提供的准则(或者你自己设计的准则)
存在一定的局限性,按照这样的准则可能根本设计不了满足 SI 要求的电路板。如果设计规则很容易,也就不需
要设计工程师了。
在实际布线之前,首先要解决下列问题,在多数情况下,这些问题会影响你正在设计(或者正在考虑设计)的电路
板,如果电路板的数量很大