成功打造高速数字设计的 4 个关键要点
电子书
打造完整高速数字系统，你必须了解哪 4 个重点？
高速数字设计的复杂程度与日俱增，整体设计势在必行
5G、物联网、人工智能、虚拟现实和自动驾驶汽车等新兴技术的蓬勃发展对数据提出了更迫切的需求，这一趋势推动高速数字标准快速演进。高速计算标准每一次更新换代，都带来了新的信令功能和更高的数据传输速率，但同时也给设计带来了更大压力。速度的提升让设计面临新的挑战，设计人员需要精度更高的仿真、新的软件工具和更高效的工作流程。
作为一名硬件工程师，您的工作是设计、验证、构建和测试电子产品。如果不采用新的设计方法，印刷电路板 (PCB) 中的高速信号衰减会给产品留下隐患。您还会面临项目延期、预算暴增或商誉受损等风险。
要避免这种情况发生，您不仅需要新的设计工具，还需要采用整体设计理念，将多个学科的工作流程融为一体。有了这样一种设计方法，您就可以针对多种接口标准进行设计，而不会延长设计和验证时间。本电子书介绍了成功打造整体高速数字设计需要了解的 4 个注意事项。
- 注意事项 1：信号完整性
- 学习如何通过三个步骤，了解数字通道的信号完整性。
- 注意事项 2：电源完整性
- 探索两大关键分析，揭秘电源完整性。
- 注意事项 3：热效应
- 电路板的温度越来越高，详细了解热量从何而来。
- 注意事项 4：系统分析
- 看一看必须进行通道仿真的两个应用。
注意事项 1：信号完整性
信号完整性问题会给性能造成很大影响
信号完整性指的是电信号的质量，这是设计中经常要考虑的情况。在数字通信通道中，信号完整性分析指的是对电信号经过的 PCB 走线、过孔、连接器和其他元器件展开研究。信号完整性问题可能会对数字设计造成严重破坏，譬如性能问题、良率下降，以及现场可能发生的故障。设计人员通常直到设计和测试周期的后期才能发现此类问题，因此纠正起来需要付出高昂代价。
PCB 信号完整性仿真的最佳时机是在版图设计之后和制造之前。随着传输速度提高，花时间进行仿真也就变得越发重要。现在，越来越多的因素都有可能导致信号完整性问题。常见问题包括互连上的反射（阻抗失配）、走线之间的电磁耦合以及接地问题。这些问题如果得不到解决，可能导致信号失真和衰减。从长远来看，信号完整性分析和仿真可以节省大量时间和金钱，因为它降低了后期设计失败的风险，并且能帮助您最大程度提高设计裕量。
了解数字通道信号完整性的三大步骤
在理想的情况下，从开始绘制原理图一直到电路板通过最终测试，您都应当重视信号完整性。通 过仿真来验 证假设 是测试通 道信号完整性的最佳方法。
请按以下 3 个步骤进行操作 ：
第 1 步：用眼图仿真通道
信号从发射机经过 PCB 传输到接收机。在信号传输过程中，走线、连接器和电缆会造成干扰，导致信号的幅度下降、时序偏移。眼图可以帮助您判断到达接收机的信号质量是否仍然足够好。
第 2 步：找到性能下降的根本原因
一旦发现信号完整性问题，您可以通过两种主要分析手段在设计中查找根本原因。
- 混合模式 S 参数 - 混合模式 S 参数能让您了解与通道频率响应相关的信息。
- 时域反射计 - 时域反射计使用反射波形来提供关于通道的信息。它可以显示空间和时间信息。
第 3 步 ：探索设计解决方案
一旦确定了信号完整性问题的根本原因，您就需要考虑要对设计进行哪些修改。一个常见的原因是过孔残桩过长。过孔是 PCB 中各层之间的电气连接。过孔残桩是连接器上没有使用的部分，可能会严重影响信号质量。背钻（使用钻头钻掉多余的残桩部分）可以显著改善信号完整性。修改完设计之后，应务必再次执行通道仿真，确保得到打开的眼图。
注意事项 2：电源完整性
提前预测电源完整性非常有必要
如果产品在设计末期未能通过一致性测试，会造成极其昂贵的代价。通过新增滤波器和电容器进行改造会增加制造成本。重新设计则会延误产品开发进度，造成收入损失。最好的办法是在设计阶段尽早开始了解和解决潜在的电源问题。电源完整性分析的目的是确保电路板上的驱动器和接收机能够获得所需的电压和电流来支持它们正常工作。为确保电源完整性，您要避免直流压降（这个指标衡量的是流经电源和接地面电阻的电流所造成的电压损耗）。
早期设计探索非常关键
有 3 个因素会给电源完整性造成挑战并增加直流压降的影响。
- 器件集成度提高——电路板上的走线越密集，电源网络中的电流密度就越高，直流压降也就越大。
- 电源电压降低——1 V上10%的容差比1.2 V上10%的容差更为严格，因此会扩大压降的影响。
- 外形尺寸缩小——PCB 上的空间更小，导致电源面的空间压缩，造成直流压降。
您不能等到完成版图设计之后才执行电源完整性分析。早期设计探索对于成功打造高速数字电路板非常关键。
请下载此文档以了解更多信息。