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奉上高速PCB设计的基础概念简介
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本文介绍了一种基于信号完整性计算机分析的高速数字信号 PCB板的设计方法。在这
种设计方法中，首先将对所有的高速数字信号建立起 PCB板级的信号传输模型，然后通过
对信号完整性的计算分析来寻找设计的解空间，最后在解空间的基础上来完成 PCB板的设
计和校验。
随着集成电路输出开关速度提高以及 PCB板密度增加，信号完整性已经成为高速数字
PCB设计必须关心的问题之一。元器件和 PCB板的参数、元器件在 PCB板上的布局、高
速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工
作。
如何在 PCB板的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，
已经成为当今 PCB设计业界中的一个热门课题。基于信号完整性计算机分析的高速数字
PCB板设计方法能有效地实现 PCB设计的信号完整性。
1. 信号完整性问题概述
信号完整性(SI)是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中
信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达 IC，则该电路具有较好的信号完整性。
反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题
主要表现为 5 个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声(SSN)和电磁兼容性(EMI)。
延迟是指信号在 PCB板的导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。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，
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。
另外，当 PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与负载阻抗不匹配
时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至
出现信号的过冲和下冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
由于 PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutual capacitance)和互感，当
一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导
线，即串扰。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。
当 PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如 CPU的数据总线、地址总线等)，由于
电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称
地弹)。SSN 和地弹的强度也取决于集成电路的 IO 特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗
以及高速器件在 PCB板上的布局和布线方式。
另外，同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题，其产生也主要与 PCB板的
布局和布线方式有关。
2. 传统的 PCB板设计方法
在传统的设计流程中，PCB的设计依次由电路设计、版图设计、PCB制作、测量调试
等步骤组成。在电路设计阶段，由于缺乏有效的对信号在实际 PCB板上的传输特性的分析
方法和手段，电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。
所以对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器件的
参数等因素的正确选择。 在 PCB版图设计阶段，同样因为很难对 PCB板的元器件布局和信号布线所产生的信
号性能变化作出实时分析和评估，所以版图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。在
PCB板制作阶段，由于各 PCB板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以 PCB板和元
器件的参数一般都有较大的公差范围，使得 PCB板的性能更加难以控制。
在传统的 PCB设计流程中，PCB板的性能只有在制作完成后才能够通过仪器测量来评
判。在 PCB板调试阶段中发现的问题，必须等到下一次 PCB板设计中加以修改。但更为
困难的是，有些问题往往很难将其量化成前面电路设计和版图设计中的参数，所以对于较
为复杂的 PCB板，一般都需要通过反复多次上述的过程才能最终满足设计要求。
可以看出，采用传统的 PCB设计方法，产品开发周期较长，研制开发的成本也相应较
高。
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