高速 PCB 设计如何保证信号完整性？

主要是关于 4 个高速 PCB 设计常见术语和保证信号完整性的3 种常见技术介绍。

一、高速 PCB 设计常见术语

1、转换率

这里要明白一个点，不存在从关到开的瞬时转变，电压必须是从低电平转换到高电平，虽然速度很快，但也会通过这中间的所有电压。

在转换器期间的某个时间点，它是1.8V，而在另一个时间点是2.5V。电压从低状态转变到高状态的速度称为转换速率。

2、速度

电信号也有速度限制-光速，光速非常快。考虑到1GHz 信号的周期为 1ns（1 纳秒），光的传播速度约为 0.3 m/ns，即 30 cm/ns，意味着在 30 cm 长的导体上，当下一个时钟脉冲在其开始处生成时，1GHz 信号的第一个时钟脉冲刚刚到达导体的另一端。

假设为 3GHz，当第一个脉冲到达导体的另一端时，时钟信号源已经生成第三个脉冲，如果是 3GHz，30cm 导体，意味着单个 30cm 导体在其长度内包含3 个脉冲、3 个高状态和低状态。

 

信号传输不是瞬时

3、可靠性

每当电流通过导体时，就会在导体周围产生磁场，。相反，当磁场穿过导体时，会在该导体内产生电压。因此电路中的所有导体（通常是 PCB上的走线）都能产生和接受电磁干扰，可能会导致走线传输的信号失真。

PCB上的每个轨道也可以被视为一个小型无线电天线，能够生成和接受无线电信号，可能会使轨道承载的信号失真。

4、阻抗

在上面已经讲到过，电信号不是瞬时，实际上在导体中以波的形式传播。在 3GHz / 30cm 迹线示例中，任何给定时间导体内都有 3 个波（波峰和波谷）。

波会受到各种现象的影响，其中对我们来说最重要的是“反射”。

这里想象一下，我们的导体就像充满水的运河/通道。波在通道的一端产生，并沿着通道（以接近光速）传播到另一端。通道本来有100cm宽，但在某个时刻突然变窄到只有1cm宽，当我们的波到达突然变窄的部分（本质上是一堵有小缝隙的墙壁），大部分波会被反弹回来狭窄的部分（墙壁）并向后朝向发射器。

 

由于宽度变化而产生的波反射

如果运河/通道内有多个狭窄部分，就会有多次反射反弹，干扰信号，信号的大部分能量也不会到达接收器（至少不会在正确的时间）因此，重要的是通道的宽度/高度沿其长度尽可能保持恒定，避免反射。

也就是阻抗，是导体的电阻、电容和电感的函数。对于高速设计，我们希望走线的阻抗沿其长度尽可能保持一致，另外一件需要考虑的事情，特别是在总线拓扑中，我们希望在接收器处停止波，而不是让它再次反弹。

这通常是通过终端电阻来实现的，终端电阻会吸收末端波的能量总线（例如RS485）

二、信号完整性

在设计电路时需要考虑回转、速度、磁干扰和阻抗。

在 PCB 设计过程中考虑阻信号完整性意味着要考虑所有的这些因素，并且在PCB上采取适当的对策。

下面是 PCB 设计中使用的几种常见技术。

1、长度匹配轨道

当我们的通信信号使用多条线路时，例如”时钟“和”数据，可能具有8条/更多数据线的并行总线，那就必须确保信号全部到达接收器同时。

现在已经知道电信号不会瞬时传播，那我们就可以理解，如果多个信号在不同长度的轨道上传播，那么将在不同时间到达接收器。（即使它们是在完全相同的时间传输的）

考虑具有条时钟线（C）和2条数据线（A和B）的通信方案。如果数据线B的长度比数据线A的长度长的多，则B线上时钟脉冲#1的信号可能与B线上时钟脉冲#2的信号同时到达接收器，一条线路到达接收器，一条线路到达那里，完全扭曲和破坏了通讯。

另一种可视化的方法是想象很多人在两条不同的跑道上跑步，每个人只能携带一半的信息，并且信息会在终点线重新组装。如果人以相同的速度行进，并且轨道的长度相同，那么将同时到达目的地，并且接收者可以正确地重新组装文件。

但是，如果轨道长度不同，那么人不会同时到达，文件没有办法很容易就重新组装。

因此多线通信信号中的轨道长度相同非常重要，也就是轨道长度匹配或者网络调谐。

2、差分对

差分对是一种高度不受电磁干扰的通信技术。最常见且最容易识别的是实现USB，另一种实现差分对的技术是RS485。

差分对在两个平行导体上使用推拉技术-一个推，另一个拉，如果一条线为高，那么另一条线一定为低，反之亦然。

差分对中的信号通过任一导体上的电压之间的差来测量。差分对的布线严格彼此平行且同相。

除了轨道长度匹配之外，同相要求意味着如果差分对绕过一个弯曲（导致外轨道比内轨道采用更长的路径），那么内轨道必须人为低添加一点额外的长度，尽快回到其轨道，以便尽快使平行对的起点/终点的总距离再次均衡。

差分对可能遇到的干扰都应该同等地影响两条轨道，这样，它们之前的差异才能保持恒定且可靠。

保持轨道相同非常重要，如果轨道总的某一特定点受到电磁干扰，就会以相同的方式影响并行信号。如果信号异相，则信号一侧的峰值可能受到影响，而信号另一侧的波谷可能受到影响。

3、过孔缝合和屏蔽

通孔屏蔽是一种“屏蔽”轨道免受产生和接收电磁干扰的技术。“电源层”（也称为“接地层”或“覆铜层”）被放置在多个 PCB 层上围绕一个或多个轨道，然后使用过孔将这些电源层层缝合在一起，从而产生以下效果。

较高的转换速率（信号从“高”到“低”或反之亦然）转换的速度比较低的转换速率产生更多的电磁噪声。压摆率本身通常在芯片数据表中指定（有时是可配置的，例如某些微控制器），因此不是由 PCB 设计阶段决定的，但在屏蔽方面可以对已知高压摆率的信号进行屏蔽。

过孔缝合用于将两个电源层“缝合”在一起。这样做的原因之一是为信号提供短的“返回路径”，这对于阻抗匹配等很重要。