高速PCB中信号完整性的分析

摘 要 高速PCB设计，已经成为大型数字系统设计成败的关键，本文从传输线损耗、抖动、码间干扰3个方面详细介绍了影响背板传输完整性的几个因素。

关键词 PCB 完整性 分析

中图分类号：TP274 文献标识码：A

在高速背板互连领域，数据在背板传输之前，先把原来的并行数据通过串行/并行转换器转换成串行数据流，经过长距离传输后通过转换器还原回并行数据。背板上传输线的数量得到了明显的减少，背板尺寸也相应减小。这样就可以降低信号幅度，减少地弹和传输线效应，减小了信号的能量消耗，明显地降低了噪声和无线/电磁辐射干扰。但由于一般串行链路中数据传输速度很高，高频效应和差分链路的中断（包括过孔、连接器等）都会影响到数据的传输，高速串行传输链路中的各种信号完整性问题也更加凸显。

1传输线损耗

当信号在长距离传输线上传输时，由于传输线材料、背板板材、过孔等原因，通常信号的高频分量会有很严重的衰减。如果损耗与频率之间并无关联，低频元件和高频元件的衰减是一样的，信号波形会按照一致的幅度下降，上升时间停留在以前的水平。在这种情况下，信号所受到衰减的影响可以在接收器端得到补偿，上升时间、抖动等不会受到衰减的影响而停留在原先状态。

信号在传输线上传播时，有五种途径会让信号能量产生损耗，分别为：辐射损耗、相邻导线耦合、阻抗不匹配、导线损耗和介质损耗。辐射损耗对于EMI的影响与其它损耗相比其丢失的能量很小，对于传输线的损耗几乎没有影响。

1.1趋肤效应

趋肤效应是高频时电流密度集中在导体表面的一种现象。电流渗透的平均深度称为趋肤深度（skin_depth），其中频率为 ，导体的磁介系数为 ，导体的电阻系数为 ，那么趋肤深度的计算如下式：

h'=skin_depth=

在高频条件下，电流密度集中在表面，导体的电阻会有明显的增大。在趋肤效应的作用下，导体内部的电流密度从外到里按指数规律下降。从上式中可以看出趋肤深度与频率的平方根成反比，频率越高，趋肤深度越小，导体电阻越大。

趋肤深度会随着导体材料整体导电率的不同而变化。由于趋肤效应导致导体的电阻增加，会引起传输信号在导体内产生损耗。为降低此类损耗办法之一是选用导电率较好的导体材料。另外，增加导体表面面积也可以对降低损耗起一定的作用。

根据公式R= L/（ t）能够计算出导体的电阻，R是导体电阻率，L是导线长度， 是导线宽度，t是导线厚度。

现在大部分传输线都会用铜作为传输线材料，铜的电阻率在频率小于100GHz 时都接近于一个常数。当频率超过10MHz 时，由于趋肤效应的作用，导体中的电流就不会再均匀分布，根据这种变化，对导体电阻的计算也必须要作出调整。

电阻的大小与电流经过导体的截面积相关，随着频率的提高，趋肤效应会导致电流经过导体的截面积减小，电阻值则会增大。因此，在频率高于10MHz 的情况下导体的电阻计算公式如下：

R= L/（ h'）= L （2 ）

1.2介质损耗

PCB 中信号路径与返回路径会构成一个电容器结构。如果在高频条件下，介质会吸收热量，所以它们之间也会产生较大的介质损耗。在交变电场环境下，绝缘材料的介电损耗系数越高，吸收的热量也就越多。当印制板的材料是使用这些绝缘材料制作的时候，材料就会因为吸收周围热量而导致介质损耗转换为信号的衰减。介质损耗是频率的函数，当在高频情况下，电子产品的设计就必须考虑介质损耗对信号传输的影响。

介质为空气的理想电容器的电阻是无穷大的，给定一个直流电压，没有电流经过。但是，如果给定一个正弦波电压V=V0sin（ t），就会产生一个余弦波电流通过电容：

I=C0dV/dt=C0 V0cos（ t）

其中C0是电容器电容， 为角频率，V0是正弦波电压振幅。这个时候电压和电流相位相差90度，因此不会有损耗。

当电容器间的介质不再是空气时，换成的真实的介质材料会有一定的电阻率。在电容器两端加电的情况下会有泄露电流经过，从而带来损耗。对于大部分介质而言，往往因为其很高的电阻率而可以使直流损耗忽略不计。

2抖动

抖动可以定义为数字信号在重要时点上偏离理想时间位置的短期变化。重要时点是指数字信号的逻辑状态之间的转换或边沿，具体来讲就是指转换信号跨过选定的参考电平或判定门限。

在实际的电路中，由于抖动含有随机成分，因此必须使用统计术语指定抖动。必须使用中间值、标准偏差、最大值、最小值和峰―峰值以及置信区间和样本总量等指标，才能建立有意义的、可重复的测量。

根据信号中不同种类抖动的特点以及产生抖动的原因，总抖动可分为确定性抖动和随机抖动。其中，DJ又可以分成数据依赖型抖动、由于占空比失真引起的抖动和其它有界不相关抖动。随着DDJ 中出现概率的不同，DDJ 又可以分成高概率DDJ和低概率DDJ。而BUJ 按照来源的不同分成三类：电源噪声引起的抖动、串扰和其它外界噪声引起的抖动和周期性抖动。将DC噪声保持在几个mV内即可减小抖动，进而可将输出信号的眼图保持在理想状态，从而对电源以及时钟振荡器和缓冲区实现正确的滤波和去耦。并且，时钟源必须具有高稳定性、低抖动性。

3码间干扰

对于有限带宽的信道，信道上传输的码元会对随后传输的码元产生影响。从能量的角度来讲，ISI可看成是由于信道的带宽有限，码元存储于信道上的能量变化滞后于被发送信号的变化，残存的能量会与随后的码元能量叠加，破坏了码元波形的形状。除了信道带宽有限的因素外，传输线阻抗的不连续和端阻抗与传输线特征阻抗失配，都会引起的ISI。

一般都会采用以下一些措施来减小传输线寄生储能元件引起的信号振荡：

（1）采用电流模驱动器来传输信号；

（2）控制信号的切换时间；

（3）加入与传输线并行的端电阻；

（4）在接收器前端加入均衡滤波器。