1.3 高速电路设计面临的问题

伴随着半导体技术的快速发展，时钟频率越来越高。目前，超过一半的数字系统的时钟频率高于100MHz。另一方面，从半导体芯片封装的发展来看，芯片体积越来越小、集成度越来越高、引脚数越来越多。所以，在当今的电路设计领域，电路系统正朝着大规模、小体积、高速度、高密度的方向飞速发展。这样就带来了一个问题，即芯片的体积减小导致电路的布局、布线很困难，而信号的频率还在逐年增高，边沿速率越来越快，PCB上的电磁现象更复杂，适用于低速电路的电路理论知识（如基尔霍夫电压/电流定律）可能已失去作用。此外，电子设备越来越广泛地应用于人们的工作和生活之中，电子设备工作的电磁环境越来越复杂，电磁兼容问题也越来越重要。

总之，电子技术的发展给高速数字系统设计带来了挑战，作为高速电路设计的工程师，将不可避免地面临一些新的问题。

1.3.1 电磁兼容性

国家标准GB/T 4365—1995《电磁兼容术语》对电磁兼容定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。它包括两方面的含义：

● 设备、分系统或系统不应产生超过标准或规范规定的电磁骚扰发射限值，电磁骚扰发射是从骚扰源向外发出电磁能量的现象，它是引起电磁干扰的原因。

● 设备、分系统或系统应满足标准或规范规定的电磁敏感性限值或抗扰度限值的要求，电磁敏感性是指存在电磁骚扰的情况下，设备、分系统或系统不能避免性能降低的能力，抗扰度是指设备、分系统或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。

一般电子系统的电磁兼容设计，依据其设计的重要性可以分为3个层次：器件及PCB一级的设计、接地系统的设计及屏蔽系统设计和滤波设计。

仅仅观察下面的一些内容，就可以了解电磁兼容对于PCB的重要性：

● 时钟产生电路，塑料封装内部元件的辐射，不正确的布线，太大尺寸的走线，不良的阻抗控制都可能成为电磁辐射源。

● PCB上的元件可能是射频能量的接收器，它们很容易从“I/O”电缆接收有害的辐射干扰，并将这个有害能量传送到容易受损的电路和设备中。

在PCB设计阶段处理好“EMC”（电磁兼容）问题，是使设备、分系统或系统达到电磁兼容标准最有效、成本最低的手段。

1.3.2 信号完整性

信号完整性（Signal Integrity，SI）是指信号在信号线上的质量，即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收器，则可确定该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。

高速PCB的信号完整性问题主要包括信号反射、串扰、信号延迟和时序错误。

● 反射：信号在传输线上传输时，当高速PCB上传输线的特征阻抗与信号的源端阻抗或负载阻抗不匹配时，信号会发生反射，使信号波形出现过冲、下冲和由此导致的振铃现象。过冲（Overshoot）是指信号跳变的第一个峰值（或谷值），它是在电源电平之上或参考地电平之下的额外电压效应；下冲（Undershoot）是指信号跳变的下一个谷值（或峰值）。过大的过冲电压经常长期性地冲击会造成器件的损坏，下冲会降低噪声容限，振铃增加了信号稳定所需要的时间，从而影响到系统时序。

● 串扰：在PCB中，串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁能量通过互容和互感耦合对相邻的传输线产生的不期望的噪声干扰，它是由不同结构引起的电磁场在同一区域里的相互作用而产生的。互容引发耦合电流，称为容性串扰；而互感引发耦合电压，称为感性串扰。在PCB上，串扰与走线长度、信号线间距，以及参考地平面的状况等有关。

● 信号延迟和时序错误：信号在PCB的导线上以有限的速度传输，信号从驱动端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。过多的信号延迟或者信号延迟不匹配可能导致时序错误和逻辑器件功能混乱。

基于信号完整性分析的高速数字系统设计分析不仅能够有效地提高产品的性能，而且可以缩短产品开发周期，降低开发成本。在数字系统向高速、高密度方向发展的情况下，掌握这一设计利器已十分迫切和必要。在信号完整性分析的模型及计算分析算法的不断完善和提高上，利用信号完整性进行计算机设计与分析的数字系统设计方法将会得到很广泛、很全面的应用。

总之，信号完整性问题是目前高速数字系统设计领域面临的研究课题。在设计方法、设计工具，乃至设计队伍的构成和协作上，以及设计人员的思路，都需要不断地改进，确保系统正常工作是所有工程技术人员所要达到的最终目的。

1.3.3 电源完整性

电源完整性（Power Integrity，PI）是指系统运行过程中电源波动的情况，或者说电源波形的质量。在高速数字电路中，当数字集成电路上电工作时，它内部的门电路输出会发生从高到低或者从低到高的状态转换，这时会产生一个瞬间变化的电流Δi，这个电流在流经返回路径上存在的电感时会形成交流压降，从而引起地弹噪声，当同时发生状态转换的输出缓冲器较多时，这个压降将足够大，从而导致电源完整性问题。

事实上，高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容这三个方面是互相作用和影响的。良好的电源完整性有利于信号完整性和电磁兼容；良好的信号完整性不仅可以降低PCB对外界的电磁辐射，而且还增强了PCB对外部电磁干扰的抗扰度；而良好的电磁兼容有利于信号完整性的保持，实际设计中应统筹考虑。