在PCB設計時有哪些點會導致信號完整性問題

通常說的信號完整性就是指信號無失真的進行傳輸。前面我們討論很多信號完整性問題，包括時序、串擾、衰減、反射、電源完整性、EMC等等。

當前的電子產品PCB上或多或少都有一些是高速信號網絡。在設計電路和PCB時就要多注意這些信號網絡的信號完整性。

對于很多工程師來講，信號完整性說起來是一句很簡單的話，但是很多時候卻要了硬件或者PCB設計工程師一條“老命”。本文主要針對PCB設計來討論，看看在PCB設計時，有哪些點會導致信號完整性問題？

1 PCB材料選擇

PCB使用什么樣的PCB材料會直接影響到信號完整性。比如PCB材料的介電常數、介質損耗角、銅箔粗糙度、玻纖布等等參數都會影響信號的電氣性能。如下是PCB材料的介電常數和介質損耗角隨著頻率變化的曲線。???

PCB材料是基礎，所以在設計PCB之前，要選擇好合適的PCB材料。

2 層疊設計

層疊設計是PCB設計中很重要的一步。如果層疊設計不合理，會直接導致設計存在天然的信號完整性問題。

比如在設計層疊時，我們通常都是按照厚度選擇，而對于相同的材料，也有很多種PP或者Core，那他們的性能并不是相同的，比如電氣參數Dk/Df、玻纖規格等。如下是某材料的兩種芯板：

雖然它們的厚度是一樣的，但它們分別是由1張2116的PP組成和2張1080的PP組成。其Dk和Df并不相同。這樣如果在設計層疊結構的隨意使用，就會導致信號完整性的問題。同時，1080和2116的玻纖也不一樣。

對于高速信號，還要注意玻纖效應的影響。關于玻纖效應，我們在前面的內容中也做過相關的介紹。?

3 傳輸線的線寬

傳輸線的線寬是由阻抗決定的，根據總線或者芯片平臺的要求，確定好傳輸線的阻抗；再根據阻抗，在ADS CILD中計算傳輸線的線寬。

在設計PCB中，工程師都希望傳輸線的線寬是一致的，這樣設計效率是最高的，但是這很難保證，因為很多芯片、連接器這類器件的pitch都可能會比較小，或者引腳的密度很高，就會導致在設計中會把線寬變小。如下圖所示：

線寬變化之后就會影響到信號完整性。在設計中要盡量減少這種線寬的變化，或者盡量縮短這種變化線寬的長度，等等。

如果傳輸線太多，也可以考慮在ADS SIPro中使用RapidScan-Z快速掃描，查找到線寬變化，即阻抗不連續的點。

4 傳輸線之間的間距

在PCB設計中，傳輸線的間距有很多種類型，比如差分對內的間距，不同類型的傳輸線之間的間距等等。不同的間距要求不同，如果是差分對之間的間距，則不能太近（小），也不能太遠（大），由阻抗和設計要求決定。

如果是不同類型傳輸線的間距，則希望間距盡量遠一點，這樣相互之間的串擾就會小，但是受限于空間和成本，這類間距也不能無限制的小。下面是隨著間距變化，串擾的變化趨勢。

5 傳輸線的長度

傳輸線的長度由于產品結構和實際設計決定。在沒有特殊要求的情況下，都希望傳輸線設計的短一點。因為傳輸線越長，信號的衰減越大，能量損失越大。

如果傳輸線的長度確實很長，而又不能縮短，這種情況下可以考慮換低損耗的板材或者在鏈路上使用repeater。?

6 傳輸線等長

等長這個概念其實是工程師“偷（聰）懶（明）”想出來的。那我們還是沿用這個概念來談。傳輸線等長包括差分對內等長，也包括相同類型的傳輸線組內等長。如果傳輸線不等長會帶來一些信號完整性的問題，包括時序不滿足要求、損耗過大或者容易受干擾等等。最簡單的方式就通過繞線使差分對不同的兩段傳輸線長度一致。

但是在之前的文章中也有給大家介紹過，實際上這種繞線等長，在電學當中它并不能完全滿足設計要求。需要適當的調整，使傳輸線的延時是一致的才最好。尤其是對于組內等長（DDR總線），要尤其注意等長設計。

7 跨分割

在PCB設計中，工程師總會在不經意間造成傳輸線跨分割。對于低速信號可能并不是什么問題，但是對于高速信號而言可能就會引起災難性的結果。跨分割會引起阻抗不連續、反射、時序以及信號的輻射等等問題。

如下是對比跨分割設計與有完整參考平面設計的眼圖結果：

顯然，跨分割設計的結果會稍微差一些。在PCB設計中，如果不可避免跨分割設計，應盡量減少跨分割傳輸線的長度；尤其是當信號速率比較高（比如25Gbps）時，一旦出現跨分割就要謹慎評估，盡量避免跨分割。

8 拓撲結構

隨著電子技術的發展，越來越多的總線都采用點對點的設計，但是有的總線也依然保留著多拓撲結構設計，比如DDR總線，其時鐘、地址、控制、命令信號線。如下圖所示為DDR5時鐘信號的Flyby拓撲結構：

Flyby拓撲結構設計就可能會造成阻抗的不連續，如果要解決這類結構造成的信號完整性問題，就需要做好傳輸線的阻抗補償、端接（或者調節ODT）等。

9 過孔

對于多層板的PCB設計，過孔是不可或缺的。對于傳輸線而言，過孔往往會造成一些阻抗不連續、損耗變大等信號完整性問題。對于高速信號或者高頻信號的傳輸線過孔設計，就需要優化其過孔的結構，比如鉆孔的大小、焊盤、anti-pad、Via Stub等等。

以下是在仿真軟件ADS中對比的Via Stub去掉與否的結果對比：

10 電源系統設計

電源系統的設計是電子產品設計的重中之重，電源系統也是最容易出問題的地方。在越來越復雜的電子系統中，一個電子系統中可能有10多組電源，或者有的更多，如下是之前設計過的一款服務器CPU處的部分電源平面設計：

對于做系統產品的工程師而言，如何設計好電源主要分為兩個部分，一個是電源系統的電路設計，一個是電源系統的PCB設計。在設計PCB時需要考慮到電源平面的分布和設計以及濾波電容的分布和擺放。為了更合理的設計好這些電源，盡量在設計之初和設計完成之后進行電源完整性的仿真，盡早發現可能存在的問題。如下是一組電源的直流壓降仿真結果：