利用布线技巧提高嵌入式系统PCB的信号完整性

O 引言
随着电子技术的迅猛发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，在很多应用中，人们考虑的不再是功能和性能，而是可靠性和兼容性。印制电路板(print circuit board，PCB)是电子产品中电路元件和器件的基本支撑件，其设计质量往往直接影响嵌入式系统的可靠性和兼容性。以往，一些低速电路板中，时钟频率一般只有10 MHz左右，电路板或封装设计的主要挑战就是如何在双层板上布通所有的信号线以及如何在组装时不破坏封装。由于互连线不曾影响系统性能，所以互连线的电气特性并不重要。在这种意义下对信号低速电路板中的互连线是畅通透明的。但是随着嵌入式系统的发展，采用的电路基本上都是高频电路，由于时钟频率的提高，信号上升沿也变短，印制电路对经过信号产生的容抗和感抗将远远大于印制电路本身的电阻，严重影响信号的完整性。对于嵌入式系统，当时钟频率超过100 MHz或上升沿小于1 ns时，信号完整性效应就变得重要了。
在PCB中，信号线是信号传输的主要载体，信号线的走线情况将直接决定信号传输的优越，从而直接影响整个系统的性能。不合理的布线，将严重引发多种信号完整性的问题，对电路产生时序、噪声和电磁干扰(EMI)等，将严重影响系统的性能。对此，本文从高速数字电路中信号线的实际电气特性出发，建立电气特性模型，寻找影响信号完整性的主要原因及解决问题的方法，给出布线中应该注意的问题和遵循的方法和技巧。

1 信号完整性
信号完整性是指信号在信号线上的质量，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，信号具有良好的信号完整性是指在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。信号完整性问题体现在很多方面，主要包括延迟、反射、串扰、过冲、振荡、地弹等。
延迟(Delay)：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。
反射(Reflection)：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。
串扰(Crosstalk)：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。
过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot)：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)。
振荡(Ringing)和环绕振荡(Rounding)：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。
地电平反弹噪声和回流噪声：当电路中有较大的电流涌动时会引起地电平反弹噪声，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面上产生电压波动和变化，这个噪声会影响其他元件的动作。负载电容的增大，负载电阻的减小，地电感的增大，同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。