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高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计

李小荣  
【摘要】: 现代电子产品正朝着高速、高集成度和高可靠性的方向发展。带宽高达百MHz甚至GHz的高速运放与高速数模转换器在视频处理、信号采集、实时检测等电路中的应用越来越多;边沿速率达ps级的高速数字器件已相当普遍。相应地,高速数模混合电路板(Printed Circuit Board,PCB)成为电路板发展的新趋势。高速数模混合PCB具有新的特点,传统的PCB设计方法已不能满足需求,这类PCB设计面临着新的挑战,要求采取新的设计方法和手段,来保证产品设计的首件成功率。 信号完整性(signal Integrity,简称SI)是指信号在互连线上的传输质量。在一个高速互连系统中,信号流经芯片内部连线、芯片封装、PCB布线通道、焊盘、过孔等,任何信号传输路径都有可能引发信号完整性问题,本论文把问题主要集中在板级互连上。高速系统中,PCB上高速信号间的互连不再是畅通和透明的,高速的互连线对系统的影响已不能被简单忽略。互连引起的信号完整性问题可能会导致系统工作不稳定,甚至不能正常工作。如何处理由高速互连线引起的信号完整性问题,是现代高速混合电路PCB设计能否成功的关键。信号完整性设计需要贯穿于整个项目设计的各个阶段,需要在设计阶段尽早地解决潜在的问题。 本论文基于高频效应、传输线理论、电磁干扰理论,对反射、串扰、同步开关噪声(SSN)、电磁干扰(EMI)等信号完整性问题进行深入分析,根据理论分析与实际经验给出各种相应问题的解决方法。笔者通过对一块高速数据采集卡进行信号完整性分析与PCB设计,主要从优化高速模拟电路PCB和高速数字电路PCB的信号完整性出发,来确保各部分的信号质量并减小数模之间的干扰,从而探索出高速数模混合PCB的设计方法和设计流程。笔者运用Cadence Allegro PCB SI与Ansoft SIwave/Designer SI仿真工具,对采集卡中的关键网络与整板进行仿真分析,通过对高速数字电路中的反射、串扰、同步开关噪声、传导与辐射等进行仿真分析来优化干扰源和干扰途径。根据仿真分析的结果制定相关布局、布线规则来驱动设计,并在布线后对PCB进行仿真验证和设计优化,确保在设计阶段采取有效的措施来增强信号完整性,达到良好的设计效果。这也进一步证明了高速设计的仿真分析和设计方法的重要性。 本文所提出的基于信号完整性仿真分析与验证的高速混合PCB设计方法和流程,可以提高实际的PCB设计质量,降低设计风险,减小设计修改和制作的次数,从而缩短市场开发周期、减少开发成本。对于实际工作中的设计观念、设计流程及设计手段的改进与完善具有现实指导意义。


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