關于高速PCB設計與高速信號的理解誤區，工程師你們中招了嗎？

ID:159936 · 發表于 2017-1-11 14:27

本期主要介紹在高速PCB設計中，高速信號與高速PCB設計存在一些理解誤區，水一般的男子從SI基礎理論及產品設計工程經驗給出一些建議。
誤區一：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？
傳統的SI理論對于“高速信號”有經典的定義。
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模型處理，需要考慮SI行為。

所謂“高速”，就是指“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的信號是否為“高速”，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系時，該信號應該按照“高速信號”進行處理。
誤區二：有了仿真軟件平臺就可以做好高速PCB設計？
現在的EDA設計軟件平臺都集成了高速信號仿真功能，這對于高速PCB設計的規則制定與執行，信號質量仿真與評估都有很大的幫助。
但是，在PCB實際設計過程中，有時會出現仿真結果顯示信號質量良好，但是實際測試時信號質量很差，不滿足信號測試標準，問題出在哪？
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”對于仿真結果至關重要，必須通過實際產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品項目的應用場景，仿真的某個信號網絡，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果與仿真結果的差異。
誤區三：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量有影響
PCB加工過程中，為了提高PCB銅皮層與介質層的結合強度，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。

我們知道，高速信號在導體中的傳輸，存在“趨膚效應”，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，如下圖所示：

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介質的介電常數Dk、正切損耗角Df是隨著頻率變化的
仿真工具中的PCB介質的Dk、Df通常為常數，但是從信號實際傳輸的角度，Dk/Df是隨著頻率變化的。
Dk隨頻率的變化示意圖（FR4板材）

Df隨頻率的變化示意圖（FR4板材）

既然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“環氧樹脂+玻璃布”的編織結構，玻璃布的排列方向分為“經向”、“緯向”，同時根據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差異時，就會導致參考介質的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。

誤區四：一種仿真軟件平臺可以搞定所有信號仿真問題？
答案顯然是否定的，目前還沒有一個統一的仿真軟件平臺可以適用于所有信號仿真場景。行為級信號質量仿真用Cadence SPB SigXplorer，晶體管級仿真用Synopsys Hspice，三維電磁場建模用Ansoft HFSS，時域頻域混合仿真用Ansoft ADS 。。。。。。
仿真軟件平臺目前還是林林總總，目前還沒有哪一款軟件可以一統江湖，Cadence收購了Sigrity、將Sigrity軟件的功能集成到SPB設計軟件平臺，仿真功能比較全面，但如果要統一所有的信號仿真分析平臺還需要時間。

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