近些年，日益增多的高頻信號設計與穩步增加的電子系統性能緊密相連。隨著系統性能的提高，PCB設計師的挑戰與日俱增：更微小的晶粒，更密集的電路板布局，更低功耗的芯片要求。隨著所有技術的迅猛發展，我們已成為高速設計的核心，需要考慮其復雜性和所有因素。

回顧

在過去30年，PCB設計發生了很大變化。 1987年，我們認為0.5微米是技術的終結者，但今天，22納米工藝已變成了常態。如下圖所示，1985年的邊緣速率推進了設計復雜性的提升（通常為30納秒），而如今邊緣速率已變成1納秒。

過去30年邊緣速率的變化

技術進步中伴隨各種問題

技術的進步總是伴隨著一系列問題。隨著系統性能的提升和高速設計的采納，一些問題必須在設計環境中進行處理。下面，我們來總結一下面臨的挑戰：

信號質量

IC制造商傾向于更低的核心電壓和更高的工作頻率，這就導致了急劇上升的邊緣速率。無端接設計中的邊緣速率將會引發反射和信號質量問題。

串擾

在高速信號設計中，密集路徑往往會導致串擾——在PCB上，走線間的電磁耦合關聯現象。

串擾可以是同一層上走線的邊緣耦合，也可以是相鄰層上的寬邊耦合。耦合是三維的。與并排走線路徑相比，平行路徑和寬邊走線會造成更多串擾。

寬邊耦合（頂部）相比于邊緣耦合（底部）

輻射

在傳統設計中的快速邊緣速率，即使使用與先前相同的頻率和走線長度，也會在無端接傳輸線上產生振鈴。這從根本上導致了更高的輻射，遠遠超過了無終端傳輸線路的FCC/CISPR B類限制。

10納秒（左）和1納秒（右）的邊緣速率輻射

設計解決方案

信號和電源完整性問題會間歇出現，很難進行判別。所以最好的方法，就是在設計過程中找到問題根源，將之清除，而不是在后期階段試圖解決，延誤生產。通過疊層規劃工具，能更容易地在您的設計中，實現信號完整性問題的解決方案。

電路板疊層規劃

高速設計的頭等大事一定是電路板疊層。基板是裝配中最重要的組成部分，其規格必須精心策劃，避免不連續的阻抗、信號耦合和過量的電磁輻射。在查看您下次設計的電路板疊層時，請牢記以下提示和建議：

• 所有信號層需相鄰并緊密耦合至不間斷的參考平面，該平面可以創建一個明確的回路，消除寬邊串擾。

每個信號層的基板都鄰接至參考平面

• 有良好的平面電容來減少高頻中的交流阻抗。緊密耦合的內電層平面來減小頂層的交流阻抗，極大程度減少電磁輻射。

• 降低電介質高度會大大減少串擾現象，而不會對電路板的可用空間產生影響。

• 基板應能適用一系列不同的技術。例如：50/100歐姆數位，40/80歐姆DDR4，90歐姆USB。

布線和工作流程

精心策劃疊層后，下一步便需關注電路板布線。基于設計規則和工作區域的精心配置，您能夠最高效成功地對電路板進行布線。以下這些提示，能幫助您的布線更加容易，避免不必要的串擾、輻射和信號質量問題：

• 簡化視圖，以便清楚查看分割平面和電流回路。為此，首先確定哪個銅箔平面（地或電源）作為每個信號層的參考平面，然后打開信號層和內電層平面同時查看。這能幫助您更容易地看到分割平面的走線。

多重信號層（左）、頂層和相鄰平面視圖（右）

• 如果數字信號必須穿越電源參考平面，您可以靠近信號放置一或兩個去耦電容（100nF）。這樣，就在兩個電源之間提供了一個電流回路。

• 避免平行布線和寬邊布線，這會比并排布線導致更多串擾。

• 除非使用的是同步總線，否則，平行區間越短越好，以減少串擾。為信號組留出空間，使其地址和數據間隔是走線寬度的三倍。

• 在電路板的頂層和底層使用組合微帶層時要小心。這可能導致相鄰板層間走線的串擾，危及信號完整性。

• 按信號組的最長延遲為時鐘（或選通）信號走線，這保證了在時鐘讀取前，數據已經建立。

• 在平面之間對嵌入式信號進行走線，有助于輻射最小化，還能提供ESD保護。

信號清晰度

在未來，電子設計的復雜性毫無疑問會持續增加，這會給PCB設計師帶來一系列亟待解決的挑戰。確保電路板疊層、阻抗、電流回路的正確配置，是設計穩定性的基礎。Altium Designer高速設計的最新功能，例如xSignals，通過2D場解算器驗證，可以實現關鍵信號更加精確的匹配。

您是否使用了疊層規劃助手，來管理日益復雜的高信號速度設計？如果沒有，請查看ICD Stackup Planner，這是Altium Designer的一個應用擴展。