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信号完整性在PCB可靠性设计中的应用

郭宜涛  
【摘要】: 如今,越来越小的电路板空间,越来越高的器件密度,极其苛刻的布局规则和大尺寸的元件使得设计师的工作更加困难。如果简单的运用传统的电路设计理念设计一个可靠的电子,在性能和可靠性上可能根本无法达到市场要求。这一切都促使我们使用SI分析方法及相关技术,在PCB设计前期进行信号规则的分析,然后将分析所得的电气规则输入布线工具进行具体布线设计,这样既可在设计过程中保证信号质量,又可解放人力、提高设计效率,满足市场要求。 在本文,我们首先介绍了信号完整性(SI)概念的定义与重要性,PCB概念及结构,重点探讨了多层板特点与优点,总结传输线的定义与种类,分析了信号完整性设计中的常见的问题及其产生原因,将其划分为5方面的问题,分析其产生的理论依据及相应工程公式。 接下来我们就信号完整性问题中的各个方面进行针对性的分析,就分区设计,地线设计,反射抑制,串扰抑制,同步切换噪声抑制,电磁兼容性干扰抑制,PCB尺寸与布局方面给出实用的工程解决方案。 随后我们设计了一个电子式电表的PCB,在这个过程中把前面总结的理论完整应用到设计当中。 原理图是PCB设计的基础,所以在进行PCB设计之前,我们先对前期原理图进行分析设计,我们首先按照功能对电表的硬件分为计量电路,控制电路,周边电路三部分,并对各部分的模拟信号和数字信号进行分析,给出阻抗匹配电阻,去耦电容分布,电源滤波电容分布等信号完整性解决方案。随后,对十个实现电路功能的模块所用芯片,设计思路进行详细描述,按照电子线路基本原理,使用Protel DXP设计出每一模块的原理图。 接下来在原理图设计的基础上进行PCB设计。首先通过计算明确本次设计所采用的板层数目与传输线阻抗设计,并使用Polaris S6000进行传输线信号完整性验证。随后按照数字和模拟混合信号设计原理,利用Protel DXP遵循论文前提提到的信号完整性原理与方案,详细设计PCB大小,钻孔分布,器件布局,并使用反射模拟对部分关键网络进行测试。重点讨论如何进行模拟数字区域分割设计,尤其其中的电源分割和模拟地数字地桥接设计方法具有较高的工程实践价值与指导意义。


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