本文主要討論在千兆位數(shù)據(jù)傳輸中需考慮的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)介紹應(yīng)用PCB設(shè)計(jì)工具解決這些問(wèn)題的方法，如趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗、過(guò)孔和連接器的影響、差分信號(hào)及布線(xiàn)考慮、電源分配及EMI控制等。

通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得高速PCB設(shè)計(jì)進(jìn)入了千兆位領(lǐng)域，新的高速器件應(yīng)用使得如此高的速率在背板和單板上的長(zhǎng)距離傳輸成為可能，但與此同時(shí)，PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問(wèn)題(SI)、電源完整性以及電磁兼容方面的問(wèn)題也更加突出。信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線(xiàn)上傳輸?shù)馁|(zhì)量，主要問(wèn)題包括反射、振蕩、時(shí)序、地彈和串?dāng)_等。信號(hào)完整性差不是由某個(gè)單一因素導(dǎo)致，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起。在千兆位設(shè)備的PCB板設(shè)計(jì)中，一個(gè)好的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)要求工程師全面考慮器件、傳輸線(xiàn)互聯(lián)方案、電源分配以及EMC方面的問(wèn)題。高速PCB設(shè)計(jì)EDA工具已經(jīng)從單純的仿真驗(yàn)證發(fā)展到設(shè)計(jì)和驗(yàn)證相結(jié)合，幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)早期設(shè)定規(guī)則以避免錯(cuò)誤而不是在設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。隨著數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，高速PCB系統(tǒng)分析工具變得更加必要，這些工具包括時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、設(shè)計(jì)空間參數(shù)掃描分析、EMC設(shè)計(jì)、電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等。這里我們將著重討論在千兆位設(shè)備PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析應(yīng)考慮的一些問(wèn)題。

高速器件與器件模型

盡管千兆位發(fā)送與接收元器件供應(yīng)商會(huì)提供有關(guān)芯片的設(shè)計(jì)資料，但是器件供應(yīng)商對(duì)于新器件信號(hào)完整性的了解也存在一個(gè)過(guò)程，這樣器件供應(yīng)商給出的設(shè)計(jì)指南可能并不成熟，還有就是器件供應(yīng)商給出的設(shè)計(jì)約束條件通常都是非常苛刻的，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)要滿(mǎn)足所有的設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)非常困難。所以就需要信號(hào)完整性工程師運(yùn)用仿真分析工具對(duì)供應(yīng)商的約束規(guī)則和實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，考察和優(yōu)化元器件選擇、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、匹配方案、匹配元器件的值，并最終開(kāi)發(fā)出確保信號(hào)完整性的PCB布局布線(xiàn)規(guī)則。因此，千兆位信號(hào)的精確仿真分析變得十分重要，而器件模型在信號(hào)完整性分析工作中的作用也越來(lái)越得到重視。

元器件模型通常包括IBIS模型和Spice模型。由于板級(jí)仿真只關(guān)心輸出管腳經(jīng)過(guò)互聯(lián)系統(tǒng)到輸入管腳的信號(hào)響應(yīng)，同時(shí)IC廠(chǎng)家不希望泄漏器件內(nèi)部詳細(xì)的電路信息，且晶體管級(jí)Spice模型仿真時(shí)間通常難以忍受，所以IBIS模型在高速PCB設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸被越來(lái)越多的器件廠(chǎng)家和信號(hào)完整性工程師所接受。

對(duì)于千兆位設(shè)備PCB系統(tǒng)的仿真，工程師經(jīng)常會(huì)對(duì)IBIS模型的精確性提出質(zhì)疑。當(dāng)器件工作在晶體管的飽和與截止區(qū)時(shí)，IBIS模型缺乏足夠詳細(xì)的信息來(lái)描述，在瞬態(tài)響應(yīng)的非線(xiàn)性區(qū)域，用IBIS模型仿真的結(jié)果不能像晶體管級(jí)模型那樣產(chǎn)生精確的響應(yīng)信息。然而，對(duì)于ECL類(lèi)型器件，可以得到和晶體管級(jí)模型仿真結(jié)果很吻合的IBIS模型，原因很簡(jiǎn)單，ECL驅(qū)動(dòng)器工作在晶體管的線(xiàn)性區(qū)域，輸出波形更接近于理想的波形，按IBIS標(biāo)準(zhǔn)可以得到較為精確的IBIS模型。
隨著數(shù)據(jù)傳輸速率提高，在ECL技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的差分器件得到很大發(fā)展。LVDS標(biāo)準(zhǔn)和CML等使得千兆位信號(hào)傳輸成為可能。從上面的討論可知，由于電路結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的差分技術(shù)應(yīng)用，IBIS標(biāo)準(zhǔn)仍然適用于千兆位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。已發(fā)表的一些IBIS模型在2.5GbpsLVDS和CML設(shè)計(jì)中的應(yīng)用文章也證明了這一點(diǎn)。