嵌入式系統如何提高PCB信號的完整性

隨著電子技術的不斷進步，嵌入式系統將應用到越來越多的領域。 在這眾多的應用中，人們考慮的不再是功能和性能，而是可靠性和兼容性。 那么，如何通過布線技術提高嵌入式系統PCB的信號完整性就成了一個“重要課題”。

眾所周知，PCB（印刷電路板）是電子產品中電路元器件的基本支撐，其設計質量往往直接影響嵌入式系統的可靠性和兼容性。 以往，在一些低速電路板中，時鐘頻率一般只有10MHz左右。 電路板或封裝設計的主要挑戰是如何在雙層板上布線所有信號線，以及如何在組裝過程中不損壞封裝。

互連的電氣特性并不重要，因為它們不會影響系統性能。 從這個意義上講，低速信號電路板中的互連是平滑和透明的。 但隨著嵌入式系統的發展，所用的電路基本都是高頻電路。 隨著時鐘頻率的增加，信號的上升沿也變短。 印制電路對通過信號的容抗和感抗會遠大于印制電路本身的電阻，嚴重影響信號的完整性。 對于嵌入式系統，當時鐘頻率超過100MHz或上升沿小于1ns時，信號完整性的影響就變得很重要。

在PCB中，信號線是信號傳輸的主要載體。 信號線的走線將直接決定信號傳輸的優劣，從而直接影響到整個嵌入式系統的性能。 布線不合理會嚴重引起各種信號完整性問題，對電路產生時序、噪聲和電磁干擾（EMI），嚴重影響嵌入式性能。 本文從高速數字電路中信號線的實際電氣特性出發，建立電氣特性模型，找出影響信號完整性的主要原因和解決問題的方法，以及應解決的問題。 并給出了接線時應遵循的方法和技巧。

信號完整性

信號完整性是指信號線上信號的質量，即信號在電路中以正確的時序和電壓電平響應的能力。 具有良好信號完整性的信號是指在需要時具有所需的電壓電平值。 信號完整性差不是單一因素造成的，而是板級設計中的多種因素造成的。 信號完整性問題體現在很多方面，主要有延遲、反射、串擾、過沖、振蕩、地球炸彈等。

延時：延時是指信號在PCB板的傳輸線上以有限的速度傳輸，信號從發送端到接收端，其間存在傳輸延遲。 信號延遲會影響嵌入式時序； 傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數。 在高速數字系統中，信號傳輸線的長度是影響時鐘脈沖相位差最直接的因素。 時鐘脈沖相位差是指同時產生的兩個時鐘信號不同步到達接收端。 時鐘脈沖的相位差降低了信號到達的可預測性。 如果時鐘脈沖的相位差太大，接收端就會產生錯誤信號。

反射：反射是信號在信號線上的回波。 當信號延遲時間遠大于信號跳躍時間時，必須將信號線視為傳輸線。 當傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不匹配時，信號功率（電壓或電流）的一部分傳輸到線路并到達負載，但也有一部分被反射。 如果負載阻抗小于原阻抗，則反射為負； 相反，反思是積極的。 布線幾何形狀的變化、不正確的接線端接、通過連接器的傳輸以及電源層的不連續性都會導致此類反射。

串擾：串擾是指由于兩條信號線之間的耦合、信號線之間的互感和互容而引起的信號線上的噪聲。 電容耦合導致耦合電流，而電感耦合導致耦合電壓。 串擾噪聲源于信號線之間、信號系統與配電系統之間以及過孔之間的電磁耦合。 串行繞組可能會造成時鐘錯誤、間歇性數據錯誤等，影響相鄰信號的傳輸質量。 現實中，串擾無法完全消除，但可以控制在系統能夠承受的范圍內。 PCB層數參數、信號線間距、驅動器和接收器的電氣特性、基線端接方式等對串擾有一定的影響。

過沖和下沖：過沖是指超過設定電壓的第一個峰值或谷值。 對于上升沿，指的是最高電壓； 對于下降沿，它指的是最低電壓。 Downrush 是指下一個超過設定電壓的谷值或峰值。 過度的過沖會導致保護二極管工作，導致其過早失效。 過多的下沖會導致錯誤的時鐘或數據錯誤（誤操作）。

振蕩和環繞振蕩：振蕩現象是重復的過沖和下沖。 信號振蕩是由線路上傳輸的電感和電容引起的，屬于欠阻尼狀態，而周圍振蕩屬于過阻尼狀態。 與反射一樣，振蕩和環繞振蕩也是由許多因素引起的。 振蕩可以通過適當的終止來減少，但不能完全消除。

地電平彈跳噪聲和回流噪聲：當電路中有較大的電流浪涌時，會引起地電平彈跳噪聲。 例如，當同時開啟大量芯片輸出時，會在芯片和電路板的電源層流過較大的瞬態電流，芯片封裝和電源層的電感和電阻會導致 電源噪聲，會在真實地平面上產生電壓波動和變化，這種噪聲會影響其他元件的動作。 負載電容的增大、負載電阻的減小、接地電感的增大、開關器件數量的增加都會導致接地彈簧的增大。

傳輸通道電氣特性分析

在多層PCB中，大多數傳輸線不僅布置在單層上，而是交錯布置在多層上，各層之間通過過孔連接。 因此，在多層PCB中，典型的傳輸通道主要包括三部分：傳輸線、布線角和過孔。 在低頻情況下，印制線和布線過孔可以看作是連接不同器件管腳的公共電氣連接，不會對信號質量產生太大影響。 但在高頻情況下，印制線、轉角和過孔不僅要考慮它們的連通性，還要考慮它們在高頻下的電氣特性和寄生參數。

高速PCB傳輸線電氣特性分析

在高速PCB的設計中，不可避免地要大量使用不同長度的信號連接線。 與信號本身的變化時間相比，信號通過連接線的延遲時間是不容忽視的。 信號以電磁波的速度在連接線上傳輸。 此時連接線是一個具有電阻、電容和電感的復雜網絡，需要用分布參數系統模型即傳輸線模型來描述。

傳輸線用于將信號從一端傳輸到另一端。 它由兩根一定長度的導線組成，一根稱為信號通路，另一根稱為返回通路。 在低頻電路中，傳輸線的特性表現為純電阻電氣特性。 在高速PCB中，隨著傳輸信號頻率的升高，導體間的容性阻抗減小，而導體上的感性阻抗增大。 信號線將不再只表現出純電阻，即信號不僅在導體上傳輸，而且在導體間的介質中傳輸。 如果信號頻率進一步增加，當j ω L>>R，1/(j ω C) <對于均勻導體，傳輸線的電阻R、寄生電感L和寄生電容C的平均分布（即L1=L2= ...=Ln; C1=C2=...=Cn+1) 不考慮外界環境的變化。 PCB 制造商、PCB 設計人員和 PCBA 制造商將解釋如何提高嵌入式系統中 PCB 信號的完整性。