PCB信号完整性实战：从阻抗匹配到反射消除全步骤

自己实际测试了Altium Designer 24加上四层板设计, 经历了因阻抗不匹配致使信号反射、过孔造成串扰等切合实际操作的容易出错的关键点, 新手依照步骤一步步去进行操作, 便能够轻松躲开这类常见的问题。

第一步：计算并设定单端阻抗50Ω

将叠层管理器予以打开, 于Layer Stack Manager当中, 率先确保介质材料是FR-4, 把介电常数设定成4.2。切换至Impedance Profile选项卡, 点击Add Profile, 挑选单端阻抗类型Single-ended。

【新手避坑】

常出现的报错情形是, 叠层设置好了阻抗, 然而却显示出“No Target Achieved”。其核心的原因在于, 介质的厚度跟铜厚并不一致, 进而致使软件没有解决办法。解决这件事情的办法是, 手动去调整介质层的厚度, 或者是更换具有更高介电常数的材料, 以此来保证计算的结果是在板厂能够进行加工的范围之内（线宽不小于4 mil）。

第二步：匹配走线长度以控制时序

运用 Interactive Length Tuning 工具, 首先于 PCB 面板里把那个时钟信号网络设置成醒目高亮的状态。开启该工具之后, 去点击网络当中随便的某一段走上线路, 继而弹出 Length Tuning 那对话框。设定目标的某个长度，比如说 3000 mil 那般的, 公差设定为正负 50, mil。去选择 Accordion 模式, 一段一段地添加蛇形线, 留意观察 Length 的实时数值, 一直到快要接近目标值为止。每一段蛇形线的间距得保持在 3 倍线, 宽之上, 为了避免出现耦合的情况。

【新手避坑】

有常见的报错情况, 那就是蛇形线的间距过小, 进而引发信号串扰极为严重的状况。其核心的原因在于, 当间距不够的时候, 相邻的线段会产生电磁耦合现象。针对这种情况的解决办法是, 要锁定蛇形线的间距至少达到3倍的线宽数量, 并且在Design Rule Check里面启用Parallel Segment规则, 使得自动发出警告来提示违规。

第三步：添加端接电阻消除反射

于 Schematic 里, 寻觅靠近信号源端也就是驱动端的串联电阻所处位置, 放置一个 RES 元件, 将其阻值设定为 33Ω, 运用 Net Label 把电阻一端连接至驱动引脚, 把电阻另一端连接至传输线。

【新手避坑】

普遍出现的报错情况是, 反射依旧存在着, 眼图测试没能通过。其核心的原因在于, 端接电阻放置的距离太过遥远。相应的解决办法是, 电阻一定要紧紧挨着驱动引脚, 距离要控制在500 mil以内, 不然传输线效应就没办法被有效地吸收掉。要是空间不够充足的话, 就能够改用RC端接或者戴维南端接的方案。

参数推荐与方案对比

至关重要的参数有着最优的推荐取值: 将差分对阻抗设定为100Ω, 其缘由在于, 大多数的高速协议, 像USB 2.0、LVDS, 皆是把此作为标准的, 并且在四层板的情形下是易于达成的, 走线的宽度一般处于5至7 mil之间。

拿来作比较的两种方案分别是, 串联端接也就是一个电阻的那种，它适用于点对点通信, 其具备功耗低的特点然而信号上升沿会变缓；还有并联端接即电阻对地的那种, 它适用于多点分支总线, 有着信号完整度高的优点不过功耗大。假如总线仅仅有两个芯片, 那么选择串联的方式会更省资源；要是超过三个节点, 那就必须采用并联方案了。

完整报错与解决

高频出现报错情况, 布线工作完成之后, 于Signal Integrity工具之内运行Reflection Analysis, 出现报错显示“Overshoot > 20%”。解决流程: 首先查看端接电阻有无缺失或者阻值是否错误, 打开 SI Model 来确认驱动模型是不是 LVCMOS 类型；接着把电阻阻值从 33Ω 往上升到 47Ω 进行调整；最后再次进行仿真, 要是依旧超标, 就在接收端增添 肖特基钳位二极管 去吸收过冲。

这一方法对于超过五吉比特每秒运行速度的高速信号并不具备适用性, 究其缘由在于印刷电路板的寄生效应表现得极为显著, 所以需要与像HyperLynx这般的仿真软件协同配合, 方能够达成精确建模的目的。可供选用的替代方案乃是采用共面波导结构或者微带线来开展设计工作, 并且凭借板材所具备的特性对介电损耗予以优化。