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2008-10-15 16:29:38
随着半导体技术和深压微米工艺的不断发展，IC的开关速度目前已经从几十MHz增加到几百MHz，甚至达到几GHz。在高速PCB设计中，工程师经常会碰到误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲、串扰等信号完整性问题。本文将探讨它们的形成原因、计算方法以及如何采用IBIS仿真方法解决这些问题。
1 信号完整性定义
信号完整性（Signal Integrity，简称SI）指的是信号线上的信号质量。信号完整性差不是由单一因素造成的，而是由板级设计中多种因素共同引起的。破坏信号完整性的原因包括反射、振铃、地弹、串扰等。随着信号工作频率的不断提高，信号完整性问题已经成为高速PCB工程师关注的焦点。
2 反射
2．1 反射的形成和计算
传输线上的阻抗不连续会导致信号反射，当源端与负载端阻抗不匹配时，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。反射回来的信号还会在源端再次形成反射，从而形成振荡。现以图1所示的理想传输线模型为例，分析与信号反射有关的重要参数。
图1，理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源Vs驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗为RL。如果终端阻抗（B点）跟传输线阻抗（A点）不匹配，就会形成反射，反射回来的电压幅值由负载反射系数ρL决定。Ρt可由式（1）得出：
ρL=（RL-Z0）/（RL+Z0） （1）
从终端反射回的电压到达源端时，可再次反射回负载端，形成二次反射，此时反射电压的幅值由源反射系数ρs决定，ρs可由式（2）得出：
ρs=(R0-Z0)/(R0+Z0) (2)
精确计算反射系数和反射电压的关键是确定传输线的特征阻抗，它不仅仅是印制线的电阻。当印制线上传输的信号速度超过100MHz时，必须将印制线看成是带有寄生电容和电感的传输线，而且在高频下会有超肤效诮和电介质损耗，这些都会影响传输线的特征阻抗。按照传输线的结构，可以将它分为微带线和带状线。
2．1．1 表情微带线的特性阻抗
微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，其模型如图2所示。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。计算公式如下：
式中，Z0是微带线的特性阻抗（Ω），w是印制导线宽度（英寸），t是印制导线厚度（英寸）,h是电介质厚度（英寸），εr是印制电路板电介质的相对介电常数。
2．1．2 层间带状线的特性阻抗
带状线是介于两个接地层之间的印制导线，其模型如图3所示。它的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、电介质的介电常数以及两个接层的距离有关。特性阻抗的计算公式如下：
式中，Z0是微带线的特性阻抗（Ω），w是印制导线宽度（英寸），t是印制导线存度（英寸），h是电介度厚度（英寸），εr是印制电路板电介质的相对介电常数。
2．1．3 非对称带状线的特性阻抗
非对称带状线模型如图4所示。
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