高速电路设计中的信号完整性研究

摘 要

通过对高速电路特点的介绍，讨论了高速电路中影响信号完整性的因素。针对这些问题，提出了解决措施。

【关键词】高速电路 信号完整性 IBIS 模型 仿真

1 反射

在高速信号系统中的反射很可能是多种原因造成的，当传输线上的走线不均匀导致阻抗不连续，或者走线阻抗不匹配，都会导致两端走线将一部分的电压反射回来，这个电压还会继续反射从而形成振荡。如何去计算传输线的特性阻抗最主要关注的是精确的计算反射系数和反射电压的。

1.1 表层微带线的特性阻抗

微带线就是我们常说的传输线。其模型如图1所示，传输线上使用铜厚度、宽度、传输线参考到地的距离以及pcb的板材（即介电常数）决定了微带线的特性阻抗。计算公式如下：

1.2 非对称带状线的特性阻抗

高速信号系统中最容易出现的系统反射是由于系统中走线不对称引起的，当高速信号在以差分信号出现时，走线不对称引起的问题尤为明显。

非对称带状线模型如图2所示。

信号之间的耦合干扰分为容性感性。这个干扰的形成主要是由于我们的走线并不是理想的走线，实际应用中走线上分布着大量的电容分量和电感分量。非对称走线的基本分析公式如下：

式中Z0是非堆成走线的特性阻抗（Ω），w是传输线的宽度（inch），t是铜的厚度（inch），h是参杂电介质的厚度（inch），c是传输线之间的距离（inch）r是PCB电介质的相对介电常数。

1.3 反射引起的问题及解决思路

当信号产生反射时，一般会有如下常见的信号失真问题出现。

（1）信号震荡，原本平整的信号，会出现信号不平整。

（2）信号出现过冲，上冲和下冲或者回沟的出现

（3）多次跨越逻辑电平门限，导致逻辑功能紊乱。

解决反射最好的办法是是使在设计的时候做好源端匹配和终端匹配，并且控制走线的长度。同时在设计初期没有把握的情况下可借助IBIS仿真对系统信号在进行模拟优化.

2 串扰

在实际的高速信号系统中，反射大多数是单个信号走线时常出现的现象，地平面回路也会有这个问题，这个对于信号造成的影响相对比较小。信号变化回引起周边的电磁场发生变化，当信号过于靠近时，两个信号之间就会发生串扰，一个信号就会干扰到另一个信号。在高速信号系统中，当信号速率在Ghz时，信号的上升和下降沿的时间都在ps级，此时 信号的高频分量非常丰富，信号线之间的寄生电容和电感很容易形成回路而造成串扰，而这些串扰会对我们需要的本质信号起到很大的干扰。

串扰引起的系统问题及解决：对于在实际的设计上来说，完全消除串扰是不可能的，所以在设计中只需要将串扰抑制在系统允许的范围之内就可以了。

3 减少串扰的措施

（1）在符合系统设计要求的情况下，尽量选用低速器件和边沿翻转速度较慢的器件，从而降低信号变化的频率，降低串扰的形成

（2）若布线空间允许，增加线与线之间的间距，对于高速信号设计要秉承3W的原则，即线与线之间至少要有3倍线宽。对于个别信号要求采用埋地空设置隔离带方法来避免信号干扰。

参考文献

[1]乔洪.高速PCB信号完整性分析及应用[D].西南交通大学，2006.

[2]杨洪军.信号完整性分析及其在高速PCB设计中的应用[D].电子科技大学，2006.

作者单位

上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海市 200233