高速数字电路的信号完整性与电磁兼容性设计

摘要：在现代高速数字电路设计中，信号完整性和电磁兼容性是设计中非常重要的问题。只有很好地控制串扰、地弹、振铃、阻抗匹配、退耦等电磁兼容因素，才能设计出成功的电路。模拟电路原理在高速数字电路设计的分析和应用中发挥着很大的作用。本文较详细地解释了高速数字电路设计中上述电磁兼容问题的产生原因以及解决方法，最后给出了一个实际设计的仿真实例来说明以上现象。
关键词：高速数字电路；信号完整性；电磁兼容性；EDA仿真

引言
    纵观电子行业的发展，1992年只有40％的电子系统工作在30 MHz以上，而且器件多使用DIP、PLCC等体积大、引脚少的封装形式；到1994年，已有50％的设计达到了50 MHz的频率，采用PGA、QFP、RGA等封装的器件越来越多；1996年之后，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，100 MHz以上的系统已随处可见，采用CS(线焊芯片级BGA)、FG(线焊脚距密集化BGA)、FF(倒装芯片小间距BGA)、BF(倒装芯片BGA)、BG(标准BGA)等各种BGA封装的器件大量涌现，这些体积小、引脚数已达数百甚至上千的封装形式已越来越多地应用到各类高速、超高速电子系统中。
    从IC芯片的发展及封装形式来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；同时，由于近年来IC工艺的发展，使得其速度也越来越高。这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为一个设计能否成功的关键因素。随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在评定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性(Signal Integrity，SI)问题。
    当硬件工作频率增高后，每一根布线网络上的传输线都可能成为发射天线，对其他电子设备产生电磁辐射或与其他设备相互干扰，从而使硬件时序逻辑产生混乱。电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)的标准提出了解决硬件实际布线网络可能产生的电磁辐射干扰以及本身抵抗外部电磁干扰的基本要求。

1 高速数字电路设计的几个基本概念
    在高速数字电路中，由于串扰、反射、过冲、振荡、地弹、偏移等信号完整性问题，本来在低速电路中无需考虑的因素在这里就显得格外重要；另外，随着现有电气系统耦合结构越来越复杂，电磁兼容性也变成了一个不能不考虑的问题。
    要解决高速电路设计的问题，首先需要真正明白高速信号的概念。高速不是就频率的高低来说的，而是由信号的边沿速度决定的，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号。即使在工作频率不高的系统中，也会出现信号完整性的问题。这是由于随着集成电路工艺的提高，所用器件I／O端口的信号边沿比以前更陡更快，因此在工作时钟不高的情况下也属于高速器件，随之带来了信号完整性的种种问题。

2 高速数字电路设计的基本要求
    在PCB设计中，电磁兼容性的分析也离不开布线网络本身的信号完整性，主要分析实际布线网络可能产生的电磁辐射和电磁干扰，以及电路板本身抵抗外部电磁干扰的能力，并且依据设计者的要求提出布局和布线时抑制电磁辐射和干扰的规则，作为整个PCB设计过程的指导原则。电磁辐射分析主要考虑PCB板与外部接口处的电磁辐射、PCB板中电源层的电磁辐射以及大功率布线网络动态工作时对外的辐射问题。对于高速数字电路设计，尤其是总线上数字信号速率高于50 MHz时，以往采用集总参数的数学模型来分析EMC／EMI特性显得无能为力，设计者们更趋向于采用分布离散参数的数学模型做布线网络的传输线分析(TALC)。对于多块PCB板通过总线连接而成的电子系统，还必须分析不同PCB板之间的电磁兼容性能。
    针对高速数字电路设计中的电磁兼容性和信号完整性问题，在进行高速PCB板设计时需要从以下一些方面进行考虑。
2．1 端接匹配
    由源端与负载端阻抗不匹配导致的传输线上阻抗不连续，会引起信号线上的反射，负载将一部分电压反射回源端，造成电平的抬高，对器件产生破坏性的影响。同时，由于任何传输线上都存在固有的电感和电容，如果信号在传输线上来回反射，必然会产生振铃和环绕振荡现象，引起电路时序的失调。采用源端或终端的端接匹配是一个比较好的解决方法。

    用图1所示的理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。图中，理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗为RL。
    负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端(B点)反射一部分信号回源端(A点)，反射电压信号的幅值由负载反射系数ρL决定：
   
式中ρL称为负载电压反射系数，它实际上是反射电压与入射电压之比。
    由式(1)可见，-1≤ρL≤+l，且当RL=Z0时，ρ1=O，这时就不会发生反射。即只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅度可以大到入射电压的幅度，极性可正可负。当RL<Z0时，ρL<O，处于过阻尼状态，反射波极性为负；当RL>Z0时，ρL>O，处于欠阻尼状态，反射波极性为正。
    当从负载端反射回的电压到达源端时，又将再次反射回负载端，形成二次反射波，此时反射电压的幅值由源反射系数ρS决定：
    
    传输线的端接通常采用两种策略：负载端并行端接匹配、源端串行端接匹配。只要负载反射系数或源反射系数二者任一为零，反射都将被消除。并行端接在信号能量反射回源端之前在负载端消除反射，即使ρ1=O，消除一次反射，这样可以减小噪声、电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)；串行端接则是在源端消除由负载端反射回来的信号，即使ρS=O和ρL=1(负载端不加任何匹配)，只是消除二次反射，在发生电平转移时，源端信号会出现持续时间为2TD(TD为信号源端到终端的传输延迟)的半波波形，这意味着沿传输线不能加入其他信号输入端，因为在上述2TD时间内会出现不正确的逻辑态。两种端接策略各有其优缺点，不过由于并行端接的匹配网络需要与电源连接，使用较为复杂；串行端接只需要在信号源端串入一个电阻，消耗功率小而且易于实现，有较大的实际工程应用价值，所以被广泛采用。
2．2 防止地弹
    当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声(Sim-tl ltaneous Switch Noise，SSN)。与此同时，由于芯片封装电感的存在，在电路同步切换过程中形成的大电流涌动会引起地平面的反弹噪声(简称为地弹)，这样在真正的地平面(0 V)上就要产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其他元器件的动作。
    SSN和地弹的强度也取决于集成电路的I／O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式，负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。在高速PCB电路设计中可以采取以下一些基本措施来减小SSN和地弹的影响：
    ①降低输出翻转速度。一些新的总线驱动器件采用内嵌的电路设计，在对传输延时影响最小的前提下，降低翻转速度。
    ②采用分离的专门参考地。分离的参考地由于电流很小，地反射现象会大大减小。分离地的芯片要注意使每个地线能够有直接到地平面的最短路径。
    ③降低系统供给电源的电感。高速电路设计中要求使用单独的电源层，并让电源层和地平面尽量接近。
    ④降低芯片封装中的电源和地引脚的电感。比如增加电源／地的引脚数目，减短引线长度，尽可能采用大面积铺铜。
    ⑤增加电源和地的互感。要让电源和地的引脚成对分布，并尽量靠近。
    ⑥给系统电源增加旁路电容，这些电容可以给高频的瞬变交流信号提供低电感的旁路，而变化较慢的信号仍然走系统电源回路。
2．3 减小串扰
    PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
串扰电压的大小与两线的间距成反比，与两线的平行长度成正比，但不存在倍数关系。在实际高速电路中进行布线时，当布线空间较小或布线密度较大时，应慎重对待信号线之间的串扰问题，高频信号线对与其相邻的信号线的串扰可能会导致门级的误触发，这样的问题在电路调试的过程中是很难被发现并妥善解决的。
    随着干扰源信号频率的增加，被干扰对象上的串扰幅值也随之增加；信号的上升／下降时间或边沿变化(上升沿和下降沿)对串扰的影响更大，边沿变化越快，串扰越大。
    由于在现代高速数字电路的设计中，具有快速上升时间的器件的应用越来越广泛，因此对于这类器件，即使其信号频率不高，在布线时也应认真对待，以防止产生过大的串扰。
    传输线与地平面的距离(即传输线与地平面之间的电介质层的厚度)对串扰的影响很大。对于同一布线结构，当电介质层的厚度增加一倍时，串扰明显加大。对于同样的电介质层厚度，带状传输线的串扰要小于微带传输线的串扰，由此可知，地平面对不同结构的传输线的影响也是不同的。因此在高速电路布线时，如带状传输线的阻抗控制能够满足要求，那么使用带状传输线可以比使用微带传输线获得更好的串扰抑制效果。
    因此，在高速PCB板的布局布线中，可以注意以下方面，从而达到减小串扰的目的：
    ①加大线间距，减小线平行长度，必要时可以以jog方式走线，即对于平行长度很长的两根信号线，在布线时可以间断式地将间距拉开，这样既可以节省紧张的布线资源，又可以有效地抑制串扰；
    ②高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配可以减小或消除反射，从而减小串扰；
    ③对于微带传输线和带状传输线，将走线高度限制在高于地线平面10 mil(1 000 mil=25．4 mm)以内，可以显著减小串扰；
    ④在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之间插入一条地线，可以起到隔离的作用，从而减小串扰。
    ⑤在同一传输线的布线过程中，尽量减少过孔的使用，因为过孔的存在对传输线的特征阻抗会有较大的影响。
    ⑥在PCB布局布线设计中，尽量将连线较紧密的器件相互靠近，减小传输线的连线长度，同时还要利用时钟线的隔离、差分线对的等长、数据／地址总线的菊花连接方式等能带来较好信号完整性结果的措施。
2．4 降低电磁干扰
    电磁干扰主要分为传导干扰和辐射干扰两大类，只要切断干扰源的产生源头和传播路径就能使电子设备符合电磁兼容性的要求。在PCB板的实际设计中，要注意以下几个方面的问题：
    ①在实际设计中建议使用实体地和电源层，避免电源和地被分割，这种分割可能导致复杂的电流环路。电流环路越大辐射也越大，所以必须避免任何信号，尤其是时钟信号，在分割地上布线。
    ②将时钟驱动器布局在电路板中心位置而不是外围。将时钟驱动器放置在电路板外围会增加磁偶极矩(magnetic dipole moment)。
    ③为了进一步降低顶层时钟信号线的EMI，最好在时钟线两侧并行布上地线。当然，最好将时钟信号布在地层与电源层之间的内部信号层上。
    ④时钟信号使用4～8 mil的布线宽度，由于窄的信号线更容易增加高频信号衰减，并降低信号线之间的电容性耦合。
    ⑤由于直角布线会增加布线电容并增加阻抗的不连续性，从而导致信号劣化，所以应该尽量避免直角布线和T型布线。
    ⑥尽量满足阻抗匹配。绝大多数情况下，阻抗不匹配会引起反射，而且信号完整性也主要取决于阻抗匹配。
    ⑦时钟信号布线不能与其他信号线并行走得太长，否则会产生串扰从而导致EMI增大。一个较好的办法是确保这些线之间的间距不小于线宽。

3 高速数字电路设计仿真举例
    在一个已有的PCB板上分析和发现信号完整性问题是一件非常困难的事情，即使找到了问题，在一个已成形的板上实施有效的解决办法也会花费大量时间和费用。所以我们期望能够在物理设计完成之前查找、发现，并在电路设计过程中消除或改善信号完整性问题，这就是EDA工具需要完成的任务。先进的EDA信粤完整性工具可以仿真实际物理设计中的各种参数，对电路中的信号完整性问题进行深入细致的分析。
    新一代的EDA信号完整性工具主要包括布线前／后SI分析工具和系统级SI分析工具等。使用布线前SI分析工具可以根据设计对信号完整性与时序的要求，在布线前帮助设计者选择元器件、调整元器件布局、规划系统时钟网络和确定关键线网的端接策略。SI分析与仿真工具不仅可以对一块PCB板的信号流进行分析，而且可以对同一系统内其他组成部分(如背板、连接器、电缆及其接口)进行分析，这就是系统级的SI分析工具。
    针对系统级评价的SI分析工具可以对多板、连接器、电缆等系统组成元件进行分析，并可通过设计建议来帮助设计者消除潜在的SI问题，它们一般都包括IBIS模型接口、2维传输线与串扰仿真、电路仿真、SI分析结果的图形显示等功能。这类工具可以在设计包含的多种领域，如电气、EMC、热性能及机械性能等方面，综合考虑这些因素对SI的影响及这些因素之间的相互影响，从而进行真正的系统级分析与验证。例如Mentor Graphics公司的HyperLynix、ICX设计工具可以在时序与电气规则的驱动下进行板级仿真和信号线的线级仿真，并提供多板分析功能，是典型的系统级SI工具。

    图2是使用HyperLynix进行PCB信号完整性分析时设计修改前后的对比图，以及相应EMC／EMI的改善情况。
    图2(a)是没有加入匹配电阻的情况，可以明显看到输出端A的波形有一个大的下冲(大约1 V左右)，而且波形最大幅度已经达到4 V(I／O信号是3．3 V)，有很明显的反射迭加现象。输入端B的波形相当不好，由于反射造成的波形下冲和过冲点的信号幅值已经接近门槛电平，这样的时钟信号很容易造成触发器的错误操作。图2(b)是在靠近源输出端加入了一个47 Ω的匹配电阻后的波形，可以看到A和B的波形都有了明显的改善。

结语
    现在IC制造工艺在以摩尔速度飞速发展，对高速PCB设计提出了更高的要求。先进的EDA仿真工具提供的各种仿真结果都非常接近真实情况，给高速数字电路设计起到了指导性的作用，使得设计的周期和反复性得到大大的减小，同时也使得电路的具体调试得到了理论性的指导。