解决信号完整性的方案

在高速数字设计领域，信号完整性和EMI已经变成了一个关键的议题。随着设备不断在功能上的增强和体积上的小型化，设计工程师们面临着越来越多来自信号完整性与EMI的挑战。 

信号完整性是指信号在信号线上传输的质量，主要问题包括反射、振铃、时序、地反弹和串扰等。差的信号完整性问题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。在Multi-Gbps的PCB板设计中，要求信号完整性工程师要全面考虑器件、传输线互联方案、电源分配以及EMC方面的问题。 

威健实业国际执行副总经理张锦豪介绍说，要进行高速系统设计，首先要有较强高速设计概念及高速设计理论，规范的设计流程，利用先进的高速设计工具，进行充分的预分析，获得一定的约束规则，严格按照规则驱动布局布线，严格进行后仿真验证，确保设计的准确性，反复通过这种设计流程实践，可以不断提高高速设计领域的设计技能。 

信号完整性和EMI的关系 

从电磁场(EM)的观点出发将非常有帮助于了解SI问题的物理行为。在图1所示的多层封装结构中，通孔a上的交变电流在金属层之间的辐射方向上将产生背离通孔的EM波传播效应。金属层之间的电场将导致层间电压的变化(电压是电场的积分)。当EM波抵达其它通孔的时候，EM波将在位于那些通孔的地方感生电流。而在通孔所在位置的感生电流进一步产生沿着金属层之间传播的EM场。当波形到达封装边沿的时候，其中一部分将辐射到空中，另一部分波形将反射回去。如果EM波在封装结构内部前后反射并互相叠加，那么将出现谐振现象。波的传播、反射、耦合和谐振是发生在封装结构内部的、造成信号完整性和EMI问题的主要原因。下面概要介绍此次分销商技术支持调查采访过程中，由分销商提出的解决信号完整性和EMI问题的建议和解决办法。 

建议和解决方案

一 ： 

(a) 电路板设计中的走线、PCB板材和阻抗匹配等方面如果出现问题就会导致信号完整性问题，通过提供完善的设计方案，包括完整的电路板版图信息与精确的匹配阻抗,利用差分信号的低电压的优势,降低系统制造商在设计上面临的问题。 (b) 希望系统制造商的设计人员以高频信号的设计为优先考虑,不要因为成本问题而忽略了对高频信号对电路板设计上的要求。 (c) 遵循差分信号的原则，并尽量将高频信号放于同一层中，减小过孔。 (d) 解决信号的反射、串扰噪声问题的办法是通过采用先进的EDA工具，选择正确的布线策略和终端匹配方式，从而得到的理想的信号波形。 (e) 解决系统中EMI问题，首先要减小系统中的各种电源之间的互相影响，如数字电源和模拟电源通常只某点处连接，且中间加磁珠滤波；还要选择合适的位置放置去耦电容；最后是在印制板的顶层和底层大面积铺铜，用较多的过孔将这些地平面连接在一起。信号完整性的分析在高速设计的作用举足轻重，只有解决好高速设计中的信号完整性，高速系统才能准确、稳定地工作。 

F) 基于信号完整性的设计方法如下： (1) 在PCB板设计之前，首先建立高速数字信号传输的信号完整性模型。 (2)对信号完整性问题进行一系列的预分析，包括电源系统性分析，根据仿真计算的结果选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计的依据。 

(b) (3) 在电路的设计过程中，利用IBIS模型进行信号完整性分析， 并综合元器件和PCB板参数的公差范围、

(c)   PCB版图设计中可能的拓扑结构和参数变化等因素，计算分析设计方案的解空间。利用工具进行PCB LAYOUT工作. (4) 在电路设计完成后,进行布线后仿真，即后仿真，验证布线的正确性及进行EMI检查。 (5) 当PCB板制造出来后，还可通过实验仪器的测量来验证各模型及仿真计算的正确性。 

二：

(a) 采用4层板布线，内层为接地和电源，使信号走线接近微带传输线特性。 (b) 对于高速的TTL显示屏接口部分(85MHz)，采用串排感(100ohm/100MHz)和并联电容(5PF)的方法减少反射造成的振铃和过冲。 (c) 显示屏的连线尽可能短并全部屏蔽；对于干扰最大的时钟线，可采用两级吸收电路，对于由此造成的波形失真和延迟，可用SCALER内的延迟电路进行补偿。 (d) 为减小传导干扰，在电源和扬声器的接插件附近设有磁珠和小电容组成的吸收电路。 (e) 电路板的大面积接地处要采用导电体与机架相连，对于不使用金属机架的客户，应加屏蔽罩对整板进行电磁屏蔽。 (d) 对于时钟较高的机型，如17" TTL显示屏和15"单通道TTL显示屏的机型，还可在晶振处增加扩频IC对时钟进行能量分散，此部分可设计在板上，根据需要决定是否安装。 

三、

(a) 芯片选择尽量采用SoC，减少高速IC的数量，避免出现大量的高速数据总线； (b) 从布线、高速时钟信号和接地屏蔽等方面考虑，尽量把高频信号线放置在地层与电源层中间，并加小电阻减少信号的上冲和下冲。 (c) 为了保证系统的稳定性，对信号线采取格外的保护措施，对地址线与数据线及控制线尽量采用等间距等线宽布置，对输入及输出信号尽量远离与处于非耦合状态。 (d) 对于设计难度较高的DVB，采取提供设计参考、布线参考和采用外部屏蔽法解决EMI问题。 (e) 对于RISC解决方案，替客户设计PCB、提供综合性能调试并建议系统制造商采用抗EMI干扰较好的外壳。 (f) 在协助客户实现产品设计的同时，要把EMI问题纳入产品的初期设计中，对IC的布局，信号的走向，PCB的制造工艺提供参考建议，以最大程度减小板卡上的EMI辐射。最后留给系统制造商自己解决电源及视频输入输出上的EMI问题，这方面的经验系统制造商是比较丰富的。对EMI的性能指标，如果系统制造商体提出要求就协助他们重新布PCB板，并指导他们增加抗EMI的具体措施，直到ＥＭＣ认证检测通过为止。 

四、 

(a) 工程师要有耐性积累解决EMI问题的经验，结构、布板、系统等各个层面的EMI问题有不同的特点。 (b) EMI产生的来源之一是晶振的倍频，减少晶振倍频的影响是设计过程要考虑的一个重要问题。 (c) 对于模拟/数字混合电路，模拟地和数字地要分开，中间要通过一个电感连接起来。 (d) 对于音视频产品，要注意解决EMI问题与获得最佳信噪比之间的平衡与折中。 (e) 通过SGS等专业从事EMI测试和EMC认证的实验室来解决系统制造商遇到的EMI问题。在做EMI测试的时候，只拿一快板去做是没有用的，必须整个系统一起拿去通过EMC认证。EMI测试的目的是如何减少EMI，为了缩短产品上市时间，建议采取性能较好的器件改进EMI性能。 (f) 开关电源包含许多开关信号和高频成分，它是EMI的主要来源。要在电源线上加磁珠和磁环解决一些EMI问题。