电路设计中如何做好高速PCB信号流向处理?

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信号完整性是指信号在传输路径上的质量,即信号在电路中能以正确的时序和电压电平作出响应的能力。如果电路设计能够达到把信号以规定的时序、持续时间和电压幅值在互连系统中传输,就表明该电路具有良好的信号完整性。信号完整性问题体现在很多方面,当信号上升时间减小到一定的程度,电路板上的寄生电容和寄生电感开始导致一些可能影响电路性能的噪声信号和瞬态信号时,就需要考虑信号的完整性问题,它可能会造成以下问题的发生:

1.延迟:延迟是指信号在PCB板的传输线上以有限的速度传输,信号从发送端发出到达接收端,其间存在一个传输延迟。信号延迟会对系统的时序产生影响;传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。在高速数字系统中,信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差的最直接因素,时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性,如果时钟脉冲相位差太大,会在接收端产生错误的信号。

2. 反射:反射就是信号在信号线上的回波。当信号延迟时间远大于信号跳变时间时,信号线必须当作传输线。当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时,信号功率(电压或电流)的一部分传输到线上并到达负载处,但是有一部分被反射了。若负载阻抗小于原阻抗,反射为负;反之,反射为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射。

3.串扰:串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起信号线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。串扰噪声源于信号线网之间、信号系统和电源分布系统之间、过孔之间的电磁耦合。串绕有可能引起假时钟、间歇性数据错误等,对邻近信号的传输质量造成影响。现实中,无法完全消除串扰,但可将其控制在系统所能承受的范围之内。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性、基线端接方式对串扰都有一定的影响。

4.过冲和下冲:过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压,对于上升沿,是指最高电压;对于下降沿,是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值超过设定电压。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致其过早的失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。

5.振荡和环绕振荡:振荡现象是反复出现的过冲和下冲。信号的振荡即是由线上过渡的电感和电容引起的振荡,属于欠阻尼状态,而环绕振荡,属于过阻尼状态。振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的,振荡可以通过适当的端接予以减小,但是不可能完全消除。

为了提高高速信号质量,需理解如下三个重要的电子学原理:

(1)电流是电子的流动;
(2)电流只能在闭合的回路中流动;
(3)电流在闭合回路中是恒定的。

一般来说,PCB设计者要花费大量的时间和精力对信号线的流动路径进行设计规划,并且处理返回信号,使信号可以寻找路径返回。信号线完整性问题的一个基本原因就是对信号回流路径的控制,在布置好元件的同时形成回路。

某网友模块化飞线信号回路图如下

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本文转载自:电子说

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