如何才能实现电路板的信号完整性设计

　　信号完整性（SI）问题解决得越早，设计的效率就越高，从而可避免在电路板设计完成之后才增加端接器件。SI设计规划的工具和资源不少，本文探索信号完整性的核心议题以及解决SI问题的几种方法，在此忽略设计过程的技术细节。

　　1、SI问题的提出

　　随着IC输出开关速度的提高，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。即使过去你没有遇到SI问题，但是随着电路工作频率的提高，今后一定会遇到信号完整性问题。信号完整性问题主要指信号的过冲和阻尼振荡现象，它们主要是IC驱动幅度和跳变时间的函数。也就是说，即使布线拓扑结构没有变化，只要芯片速度变得足够快，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。我们用两个实例来说明信号完整性设计是不可避免的。实例之一︰在通信领域，前沿的电信公司正为语音和数据交换生产高速电路板（高于500MHz），此时成本并不特别重要，因而可以尽量采用多层板。这样的电路板可以实现充分接地并容易构成电源回路，也可以根据需要采用大量离散的端接器件，但是设计必须正确，不能处于临界状态。 SI和EMC专家在布线之前要进行仿真和计算，然后，电路板设计就可以遵循一系列非常严格的设计规则，在有疑问的地方，可以增加端接器件，从而获得尽可能多的SI安全裕量。电路板实际工作过程中，总会出现一些问题，为此，通过采用可控阻抗端接线，可以避免出现SI问题。简而言之，超标准设计可以解决SI问题。实例之二︰从成本上考虑，电路板通常限制在四层以内（里面两层分别是电源层和接地层）。这极大限制了阻抗控制的作用。此外，布线层少将加剧串扰，同时信号线间距还必须最小以布放更多的印制线。另一方面，设计工程师必须采用最新和最好的 CPU、内存和视频总线设计，这些设计就必须考虑SI问题。关于布线、拓扑结构和端接方式，工程师通常可以从CPU制造商那里获得大量建议，然而，这些设计指南还有必要与制造过程结合起来。在很大程度上，电路板设计师的工作比电信设计师的工作要困难，因为增加阻抗控制和端接器件的空间很小。此时要充分研究并解决那些不完整的信号，同时确保产品的设计期限。下面介绍设计过程通用的SI设计准则。

　　2、设计前的准备工作

　　在设计开始之前，必须先行思考并确定设计策略，这样才能指导诸如元器件的选择、工艺选择和电路板生产成本控制等工作。就SI而言，要预先进行调研以形成规划或者设计准则，从而确保设计结果不出现明显的SI问题、串扰或者时序问题。有些设计准则可以由IC制造商提供，然而，芯片供货商提供的准则（或者你自己设计的准则）存在一定的局限性，按照这样的准则可能根本设计不了满足SI要求的电路板。如果设计规则很容易，也就不需要设计工程师了。在实际布线之前，首先要解决下列问题，在多数情况下，这些问题会影响你正在设计（或者正在考虑设计）的电路板，如果电路板的数量很大，这项工作就是有价值的。

　　不同的驱动技术适于不同的任务。信号是点对点的还是一点对多抽头的？信号是从电路板输出还是留在相同的电路板上？允许的时滞和噪声裕量是多少？作为信号完整性设计的通用准则，转换速度越慢，信号完整性越好。50MHz时钟采用500ps上升时间是没有理由的。一个2-3ns的摆率控制器件速度要足够快，才能保证SI的品质，并有助于解决象输出同步交换（SSO）和电磁兼容（EMC）等问题。在新型FPGA可编程技术或者用户定义ASIC中，可以找到驱动技术的优越性。采用这些定制或者半定制器件，你就有很大的余地选定驱动幅度和速度。设计初期，要满足FPGA或ASIC设计时间的要求并确定恰当的输出选择，如果可能的话，还要包括引脚选择。在这个设计阶段，要从IC供货商那里获得合适的仿真模型。为了有效的覆盖SI仿真，你将需要一个SI仿真程序和相应的仿真模型（可能是IBIS模型）。最后，在预布线和布线阶段你应该建立一系列设计指南，它们包括︰目标层阻抗、布线间距、倾向采用的器件工艺、重要节点拓扑和端接规划。