高速信號與高速PCB設(shè)計存在的一些理解誤區(qū)分享

本文主要分析一下在PCB" target="_blank">高速PCB設(shè)計中，高速信號與高速PCB設(shè)計存在一些理解誤區(qū)。

誤區(qū)一：GHz速率以上的信號才算高速信號?

提到“高速信號”，就需要先明確什么是“高速”，MHz速率級別的信號算高速、還是GHz速率級別的信號算高速?

傳統(tǒng)的SI理論對于“高速信號”有經(jīng)典的定義。

SI：Signal Integrity ，即信號完整性。

SI理論對于PCB互連線路的信號傳輸行為理解，信號邊沿速率幾乎完全決定了信號中的最大頻率成分，通常當信號邊沿時間小于4~6倍的互連傳輸延時的情況下，信號互連路徑會被當做分布參數(shù)模型處理，需要考慮SI行為。

所謂“高速”，是指“信號邊沿時間小于4~6倍的互連傳輸延時”，可以看出電路板傳輸?shù)男盘柺欠駷椤案咚佟?，不只取決于信號的邊沿速率，還取決于電路板線路的路徑長度大小，當兩者存在一定的比例關(guān)系時，該信號應(yīng)該按照“高速信號”進行處理。

誤區(qū)二：有了仿真軟件平臺就可以做好高速PCB設(shè)計?

EDA設(shè)計軟件平臺集成了高速信號仿真功能，這對于高速PCB設(shè)計的規(guī)則制定與執(zhí)行，信號質(zhì)量仿真與評估都有很大的幫助。

但是，在PCB實際設(shè)計過程中，有時會出現(xiàn)仿真結(jié)果顯示信號質(zhì)量良好，但是實際測試時信號質(zhì)量很差，不滿足信號測試標準，

實際上，仿真與測試是不可分的，拿IBIS模型為例，通常我們稱之為“行為級模型”，此類仿真模型也是通過芯片不同工作條件下的V、I測試曲線建立的，這就存在一個問題，仿真時如果不關(guān)注選取哪種工作條件下的芯片模型，就會仿真不準，例如：Slow、Typical、Fast。

從上面的例子可以看出，“仿真模型庫”對于仿真結(jié)果至關(guān)重要，必須通過實際產(chǎn)品項目的仿真測試實際對比、修正后的仿真模型才能算作“準確的仿真模型”。

有了好的仿真設(shè)計平臺不能解決所有問題，還需要“準確的仿真模型”，另外也要考慮到實際產(chǎn)品項目的應(yīng)用場景，仿真的某個信號網(wǎng)絡(luò)，會受到電源噪聲、其他信號串擾等因素影響，這同樣會造成測試結(jié)果與仿真結(jié)果的差異。

誤區(qū)三：仿真軟件中的PCB走線“傳輸線模型”是非常準確的?

仿真軟件中的PCB走線不管是微帶線還是帶狀線，都可以通過仿真工具建立模型，這個模型基于層疊和實際走線的尺寸，通常情況下可以滿足精度要求，但是如果說“非常準確”，那還有一些差距，這需要從以下幾個方面分析：

(1)PCB銅皮的粗化/棕化處理加工工藝對信號質(zhì)量有影響

PCB加工過程中，為了提高PCB銅皮層與介質(zhì)層的結(jié)合強度，降低PCB分層風險，都會有粗化/棕化處理工藝，就是通過打磨或者腐蝕的方式使銅皮表面變得粗糙。

在高速信號在導體中的傳輸，存在“趨膚效應(yīng)”，是指高頻信號傳輸時，在導體中流動的電流將朝外圍或者導體的“表皮”遷移。

PCB銅皮表面粗糙，一方面影響損耗、另一方面也會影響信號傳輸延時，這一點很好理解，就像汽車在崎嶇不堪的山路行駛時一定會比在柏油馬路上行駛更耗時。

(2)PCB介質(zhì)的介電常數(shù)Dk、正切損耗角Df是隨著頻率變化的

仿真工具中的PCB介質(zhì)的Dk、Df通常為常數(shù)，但是從信號實際傳輸?shù)慕嵌?，Dk/Df是隨著頻率變化的。

Dk/Df會隨著傳輸信號的速率變化，那么如果仿真工具中把這兩個參數(shù)作為常量處理，就會對傳輸線模型的仿真精度造成影響，信號傳輸速率越高這種影響就會越大。

(3)PCB板材的“各向異性”影響

PCB板材通常是“環(huán)氧樹脂+玻璃布”的編織結(jié)構(gòu)，玻璃布的排列方向分為“經(jīng)向”、“緯向”，同時根據(jù)玻璃纖維的粗細及間距，分成不同型號的PCB板材，如：1080、2116等。當PCB板材采用不同類型玻璃布時，玻璃布與樹脂在板材中的成分比例是不同的。

玻璃布與樹脂材料的Dk/Df值相差比較大，當PCB正常走線與玻璃布的相對位置出現(xiàn)差異時，就會導致參考介質(zhì)的Dk/Df值不同、信號的阻抗及損耗情況也會不同，如下圖所示，這也是為什么有些項目要求整板PCB走線方向要采用10°的原因。

誤區(qū)四：一種仿真軟件平臺可以搞定所有信號仿真問題

目前還沒有一個統(tǒng)一的仿真軟件平臺可以適用于所有信號仿真場景。行為級信號質(zhì)量仿真用Cadence SPB SigXplorer，晶體管級仿真用Synopsys HSPIe，三維電磁場建模用Ansoft HFSS，時域頻域混合仿真用Ansoft ADS。目前還沒有哪一款軟件可以一統(tǒng)江湖.

高速PCB設(shè)計中的屏蔽方法高速PCB設(shè)計布線系統(tǒng)的傳輸速率隨著時代的更迭也在不斷加快，但這也給其帶來了一個新的挑戰(zhàn)——抗干擾能力越來越弱。這一切都源自于傳輸信息的頻率越高，信號越敏感，能量也越來越弱，因而布線系統(tǒng)越來越容易受到干擾。在一些常見的電子設(shè)備中，例如計算機屏幕、手機、電機、無線電廣播設(shè)備等，電纜和設(shè)備會干擾其他元器件或受到其他干擾源的嚴重干擾。接下來深圳PCBA工廠為大家介紹下高頻PCB設(shè)計中的屏蔽方法。

高頻PCB設(shè)計中的屏蔽方法

特別是在使用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，截獲大量信息所需的時間明顯低于截獲低速數(shù)據(jù)傳輸所需的時間。數(shù)據(jù)雙絞線中的雙絞線在低頻時可以通過自身的絞合來抵抗外部干擾和對間串擾，但在高頻時(特別是在頻率超過250MHz時)，僅絞合并不能達到抗干擾的目的，只有屏蔽才能抵抗外部干擾。

電纜屏蔽層的作用類似于法拉第屏蔽層。干擾信號進入屏蔽層，但不進入導體。因此，數(shù)據(jù)傳輸可以無故障運行。由于屏蔽電纜比非屏蔽電纜具有更低的輻射發(fā)射，網(wǎng)絡(luò)傳輸被阻止。屏蔽網(wǎng)絡(luò)(屏蔽電纜和組件)可顯著降低進入周圍環(huán)境時可能被攔截的電磁能量的輻射水平。

不同干擾場的屏蔽選擇主要包括電磁干擾和射頻干擾。電磁干擾(EMI)主要是低頻干擾。電機、熒光燈和電源線是常見的電磁干擾源。射頻干擾(RFI)是指射頻干擾，主要是高頻干擾。無線電、電視廣播、雷達等無線通信是常見的射頻干擾源。對于抗電磁干擾，編織屏蔽是最有效的，因為它具有較低的臨界電阻;對于射頻干擾，箔片屏蔽是最有效的。由于編織屏蔽依賴于波長的變化，其產(chǎn)生的間隙使高頻信號自由進出導體;對于高低頻混合干擾場，應(yīng)采用具有寬帶覆蓋功能的箔層和編織網(wǎng)的組合屏蔽方式。一般來說，網(wǎng)格屏蔽覆蓋率越高，屏蔽效果越好。