高速电路传输线效应和信号完整性问题分析

随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ，有一大部分甚至超过100MHZ。目前约80% 的设计的时钟频率超过50MHz，将近50% 以上的设计主频超过120MHz，有20%甚至超过500M。

当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路信号质量仿真已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过高速电路仿真和先进的物理设计软件，才能实现设计过程的可控性。

传输线效应

基于上述定义的传输线模型，归纳起来，传输线会对整个电路设计带来以下效应。
· 反射信号Reflected signals
· 延时和时序错误Delay & Timing errors
· 过冲(上冲/下冲)Overshoot/Undershoot
· 串扰Induced Noise (or crosstalk)
· 电磁辐射EMI radiation

1 反射信号

在高速电路中,信号的传输如上图所示,如果一根走线没有被正确终结(终端匹配)，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不可预期效应，使信号轮廓失真。当失真变形非常显著时可导致多种错误，引起设计失败。同时，失真变形的信号对噪声的敏感性增加了，也会引起设计失败。如果上述情况没有被足够考虑，EMI将显著增加，这就不单单影响自身设计结果，还会造成整个系统的失败。

反射信号产生的主要原因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。 
 

2 延时和时序错误

信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高与低门限之间变化时保持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱。

通常在有多个接收端时会出现问题。电路设计师必须确定最坏情况下的时间延时以确保设计的正确性。信号延时产生的原因：驱动过载，走线过长。 

3 过冲

过冲来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因。虽然大多数元件接收端有输入保护二极管保护，但有时这些过冲电平会远远超过元件电源电压范围，损坏元器件。
  

4 串扰

串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号，我们称之为串扰。

信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。
  

5 电磁辐射

EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行 EMI仿真的软件工具，但EMI仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将直接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制EMI的各项设计规则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。
  

避免传输线效应的方法

针对上述传输线问题所引入的影响，我们从以下几方面谈谈控制这些影响的方法。

1 严格控制关键网线的走线长度

如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到在PCB板上存在传输线效应的问题。现在普遍使用的很高时钟频率的快速集成电路芯片更是存在这样的问题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用CMOS或TTL电路进行设计，工作频率小于10MHz，布线长度应不大于7英寸。工作频率在50MHz布线长度应不大于1.5英寸。如果工作频率达到或超过75MHz布线长度应在1英寸。对于GaAs芯片最大的布线长度应为0.3英寸。如果超过这个标准，就要通过软件仿真来定位走线.走线的精确长度需物理软件(如:PADS等)控制.
  

2 合理规划走线的拓扑结构

解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。当使用高速逻辑器件时，除非走线分支长度保持很短，否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB走线采用两种基本拓扑结构，即菊花链(Daisy Chain)布线和星形(Star)分布。

对于菊花链布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在控制走线的高次谐波干扰方面，菊花链走线效果最好。但这种走线方式布通率最低，不容易100%布通。实际设计中，我们是使菊花链布线中分支长度尽可能短，安全的长度值应该是：Stub Delay <= Trt *0.1

星形拓扑结构可以有效的避免时钟信号的不同步问题，但在密度很高的PCB板上手工完成布线十分困难。采用自动布线器是完成星型布线的最好的方法。每条分支上都需要终端电阻。终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。这可通过软件仿真计算，得到特征阻抗值和终端匹配电阻值。
 

3 抑止电磁干扰的方法

很好地解决信号完整性问题将改善PCB板的电磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是保证PCB板有很好的接地。对复杂的设计采用一个信号层配一个地线层是十分有效的方法。此外，使电路板的最外层信号的密度最小也是减少电磁辐射的好方法，这种方法可采用"表面积层"技术"Build-up"设计做PCB来实现。表面积层通过在普通工艺 PCB 上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的微孔的组合来实现 ，电阻和电容可埋在表层下，单位面积上的走线密度会增加近一倍，因而可降低 PCB的体积。PCB 面积的缩小对走线的拓扑结构有巨大的影响，这意味着缩小的电流回路，缩小的分支走线长度，而电磁辐射近似正比于电流回路的面积；同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用，这又使得连线长度下降，从而电流回路减小，提高电磁兼容特性。
  

4 其它可采用技术

为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲，应该为集成电路芯片添加去耦电容。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。

当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时，其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容，而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。

任何高速和高功耗的器件应尽量放置在一起以减少电源电压瞬时过冲。

如果没有电源层，那么长的电源连线会在信号和回路间形成环路，成为辐射源和易感应电路。

走线构成一个不穿过同一网线或其它走线的环路的情况称为开环。如果环路穿过同一网线其它走线则构成闭环。两种情况都会形成天线效应(线天线和环形天线)。天线对外产生EMI辐射，同时自身也是敏感电路。闭环是一个必须考虑的问题，因为它产生的辐射与闭环面积近似成正比。

要具体实施以上所有的经验方法,人工计算是无法完成的,通过软件仿真和EDA软件控制。