信号完整性SI基础知识介绍(一)

下图展示了电压阶跃是如何沿着印刷电路板（PCB）走线传播的。在这个示例中，我们看到一条走线通过 PCB 板的介电材料与接地回流平面分隔开来。当信号沿着走线传播时，变化的电场和磁场会跟随波前。电磁波以 1.8×10⁸ m/s的极快速度传播，而电子从正极到负极的实际传导速度却非常慢，仅为 0.01 m/s。

这里的关键要点是，电磁波在 PCB 板的介电材料中传播，并由顶部的走线和底部的接地回流平面引导。在我们逐步讲解今天的内容时，请牢记这种波导的概念。

看待同一个电路的另一种方式是将传输线视为一系列的 LC 电路（电感 - 电容电路）。当波前沿着 PCB 走线推进时，电容和电感会充电至稳态。在波前位置会出现瞬时电流，但在波前之前和之后，LC 电路都将处于稳态。这实际上只是看待上图中同一电路的另一种视角。请记住，这个波前传播速度极快，但传导电流的移动速度却很慢。

下图旨在说明传导电流和位移电流之间的区别。它展示了一个包含电压源、导线和负载的简单电路。传导电流是指电子从电压源的正极出发，经过负载，再到达电压源负极的移动过程。这种移动速度非常慢，仅为 0.01 m/s。

另一方面，在 FR4 材质的 PCB 中，位移电流的传播速度非常快，达到了 141×10⁶ m/s。可以把位移电流想象成从电源起始的一连串电子碰撞反应，这些电子碰撞经过负载，再回到电源的负极。

打个比方，想象有一根装满水的软管。当你打开水龙头时，水会立刻从软管的另一端流出。水分子的一连串碰撞反应从水龙头开始，沿着软管持续进行，迫使水从软管末端流出。虽然水龙头里的水可能需要一段时间才能流到软管末端，但在打开水龙头的瞬间，水就会从软管中喷射出来。

电磁波的传播和位移电流的情况与此类似。波前和位移电流移动迅速，但传导电流却非常缓慢。

现在，让我们来讨论一下对于低频信号而言，回流电流在PCB的接地平面中是如何相对于顶层信号走线流动的。这里展示的图是印刷电路板的顶层，施加到连接器的信号沿着 PCB 顶层的红色走线传输到被测设备（DUT）。对于低频信号，接地平面中的回流电流会在整个电路板上扩散，并沿着电阻最小的路径流动。在这种情况下，“低频” 指的是频率低于 100 KHz的信号。

有一个很形象的比喻有助于解释信号走线下方波前的大小是如何变化的，那就是 “电磁干扰先生（Mr EMI）”。电磁干扰先生代表的是顶层和接地回流平面之间的波前。电磁干扰先生会适应这个波导的大小，所以如果PCB的走线靠近接地回流平面，波前的尺寸就会比较小。

另一方面，如果信号路径和回流路径之间的距离较大，电磁干扰先生就会变大。此外，如果回流路径中存在间隙，电磁干扰先生就会伸展以适应回流路径。电磁干扰先生可不是你的朋友，所以要尽量让他的 “体型” 小一些。我知道这个比喻有点滑稽，但我希望它能帮助你想象不同的PCB几何形状是如何改变波前大小的。

现在，让我们来看看当信号通过过孔在PCB的顶层和底层之间转换时，信号是如何在电路板上传输的。请注意，这个示例布局采用了一种不常见的堆叠方式，有两个内部接地平面。事实证明，这种堆叠方式对于低电磁干扰（EMI）来说非常好。我们稍后会详细讲解这一点。

现在，我们先来看一个使用过孔进行层间转换的设计良好的示例，然后再看一个设计欠佳的示例。可以把信号层和接地回流路径想象成信号传播所通过的波导。当信号从顶层转换到底层时，接地回流路径需要从内部接地平面 1 转换到内部接地平面 2。它通过缝合过孔作为从顶层到底层的垂直波导来实现转换。在这个示例中，整个信号路径都有一个良好的、连续的波导供信号传输。现在，让我们来看看同样的电路但采用错误设计的情况。

这里是同样的电路，但没有缝合过孔。在这种情况下，信号从顶层转换到底层时，没有垂直波导来约束波前。因此，在过孔转换点处会出现射频辐射。你可能会想，自己的系统只有一个 50 MHz的时钟，怎么会产生高频辐射呢。别忘了，方波的傅里叶级数表明其频率成分能达到GHz级别，而且波形的上升时间决定了会有多少高频成分。下图重点是强调使用缝合过孔为信号在层间转换提供连续波导的重要性。

这是一个六层板的例子，展示了信号从顶层到内层信号层一的过孔转换情况。这种配置有一个显著的优点，那就是它不需要缝合过孔。内层接地平面一同时充当了顶层和内层信号层一的回流路径。它还为层间转换的波前充当了垂直波导。请注意，由于趋肤效应，接地回流平面顶层和底层的接地回流电流不会相互混合。趋肤效应是一种高频电流只在导体表面流动的现象。

一种将内部接地平面相互连接起来，同时也将顶层和底层敷铜与接地相连的方法，是使用缝合过孔的分布式阵列。许多PCB布局软件程序都提供了一种自动生成这种分布式过孔阵列的方法。这些过孔之间的间距可以设置为所施加的最高频率对应波长的十分之一。

下图展示了一种更为常见的PCB堆叠方式，其中包含一个内部接地平面以及一个内部电源平面。与之前有两个接地平面的例子相比，这是一种更常见的堆叠方式。然而，要实现良好的电磁干扰（EMI）特性性能，这种方式可能会更具挑战性一些。值得注意的是，信号回流电流会在最靠近的相邻平面中流动。

无论这个平面是电源平面还是接地平面，情况都是如此。所以在这个例子中，当信号从顶层转换到底层时，回流路径需要从内部接地平面 1 转换到内部电源平面。这里存在一个问题，那就是不能在接地和电源之间设置缝合过孔，因为这样会使接地和电源短路。相反，回流电流必须通过一个缝合电容来实现转换。在很多情况下，这个缝合电容就直接采用最靠近层间转换过孔的去耦电容。从这个例子中可以看到，信号在顶层和底层之间转换时，射频辐射达到了最小。

下图展示的设计与上图相同，但没有使用缝合电容。当信号从顶层转换到底层时，回流信号没有一个良好的路径从内部接地平面转换到内部电源平面。这样在进行层间转换时就会导致射频辐射的产生。这个问题可以通过充分使用缝合电容或去耦电容来避免。

你可能会问的一个问题是，在将两个平面连接在一起方面，缝合电容是否和缝合过孔一样有效。简短的回答是，在高频情况下，缝合电容通常不如缝合过孔有效。原因在于，使用缝合电容需要两个过孔和一个电容。电容以及两个过孔都会存在电感，这会限制两个平面之间这种交流连接的效果。缝合过孔也会有电感，但它的电感会小于缝合电容及其相关的两个过孔的电感之和。

此外，缝合过孔尺寸小，而且几乎没有成本，而电容会占用PCB的空间，增加成本，还会使设计变得复杂。不过，一般来说，缝合电容也就是去耦电容，无论如何都是需要的。

一些PCB设计师会使用缝合电容或去耦电容的分布式阵列，这与我们之前讨论过的过孔阵列类似。但我认为，更合理的做法是有策略地将电容放置在真正需要它们的位置。

当然，最佳做法是避免在接地平面上出现缝隙。但在某些情况下，这可能不太现实。将回流路径中不连续部分的影响降至最低的一种方法是使用缝合电容，或者在走线旁边设置接地桥。在这个例子中，你可以看到回流电流从接地平面转换到顶层的缝合电容，从而跨越接地平面上的缝隙。

Tips：一些关于信号完整性SI常见的问题及回答

1、在下面的PCB布局中，一条信号走线位于 5 V和 3.3 V的电源平面上方。这种设计是否存在潜在的电磁干扰（EMI）问题呢？
a) 这种 PCB 设计没有问题。回流电流会在地平面中流动。
b) 回流电流会在相邻的电源平面中流动，但是由于电源平面是分割开的，所以高频回流电流无法保持在信号走线下方，从而导致电磁辐射。

回答：

正确答案是 “b”，即回流电流会在相邻的电源平面中流动，但是由于电源平面是分割开的，所以高频回流电流无法保持在信号走线下方，从而导致电磁辐射。回流电流没有明显的路径，因此会产生射频辐射，并且回流电流会扩散到电路板更广泛的区域。

2、在下面的PCB布局中，有哪些方法可以用来提升电磁干扰（EMI）性能呢？

a) 可以调整走线布线，使其仅位于 3.3 V电源平面上方，并且不跨越到 5 V平面的间隙。
b) 可以移动接地平面，使其直接与顶层信号层相邻。这样，顶层信号就会有一条连续的回流路径。
c) 可以使用缝合电容，从交流的角度将两个平面连接起来，并弥合回流路径上的间隙。
d) 以上所有方法。

回答：

正确答案是 “d”，即以上所有选项。或许最简单的解决办法就是简单地重新布置走线，这样回流电流就能在 3.3 V的平面上有一条连续的路径。另一种方法是确保信号走线始终与一个完整的接地平面相邻，所以改变电路板的叠层结构，让接地平面位于顶层信号的下方也能奏效。最后，从交流的角度来看，使用缝合电容在两个平面之间建立连接，是将这两个平面连接起来的一种可行方法。

3、对于下面的两块电路板，一条模拟信号走线被放置在一条数字信号走线附近。两块PCB的布局是相同的，唯一的区别在于 PCB 的厚度。哪种布局能将数字信号和模拟信号之间的干扰降到最低呢？

a) 设计 1

b) 设计 2

c) 从串扰的角度来看，它们是一样的。