多线路板设计中的接地连接和高速信号

从电视到笔记本电脑，我们最喜欢的许多消费类电子产品实际上都是多板系统。打开笔记本电脑或台式机，您会发现一个功能丰富的多板系统，该系统带有电缆和板载连接器，这些电缆和板载连接器可将主板和系统中的外围设备连接起来。随着计算机外围设备运行速度的提高，多板设计中的正确接地和保持干净的高速信号对于保持低误码率（BER）值并通过EMC测试至关重要。

每块板上的高速设计

多板系统中的各个板应始终设计为确保高速系统中的信号完整性。电路板上的高速信号应进行布线，以防止由于传输线效应而引起的串扰和振铃，并具有适当的，不间断的返回路径以保持信号完整性。接地也是单个板上的重要问题，但是当作为多板系统的一部分在板之间发送高速信号时，接地就变得尤为重要。

许多新手设计师都错过了高速设计的重点是：数据传输速率并不能确定一块板是否属于高速。取而代之的是，将开和关状态之间的切换速度归类为高速。

现代数字IC的体积越来越小，从而减少了其栅极电容和切换时间。即使您正在使用数据速率较低的通信协议（例如串行外围设备接口（SPI）总线），较新的数字IC也会以足够快的速度切换，以使您的设备可以归类为高速设备。

请牢记这一点，在设计电路板时，需要根据电路中的切换时间检查互连长度。如果25％的信号上升时间（10％至90％）小于沿走线的传播延迟，则走线将充当传输线，您需要将走线与源和负载进行阻抗匹配，在电源或负载处增加端接，或使用阻抗控制设计以确保走线阻抗与电源和负载相匹配。这将防止反射导致数字信号振铃。

在路由具有并行数据的信号网时，您需要确保网络内的信号是同步的，以防止时序偏斜。应当在单个板内部以及板之间补偿时序偏斜，以免信号不同步导致BER值较高。这需要信号网络内的长度匹配迹线，包括差分对之间的长度匹配。小心差分对，并在可能的情况下尝试在布线和长度匹配方案中强制对称。

多板设计中的接地和高速信号

在多板系统中的板之间路由高速信号时，需要设计连接方式，以便信号具有可靠的接地返回路径。如果您忽略了这一点，那么您的返回信号将被迫沿着长途路线经过目标板上的接地连接，再经过电源或机箱，再进入源板。本质上，您刚刚创建了一个巨大的环形天线，并且您的系统可能不会通过EMC检查。

最简单的方法是在两块板之间发送信号时使用差分信号。但是，这要求电路板两端的组件都支持差分信号传输，而这并非总是可能的。这不能容纳所有通信协议（例如I2C）。

在不可能进行差分信号传输的地方，您将需要利用源和目标板上的接地层来为电路板之间路由的信号提供返回路径。例如，考虑连接到电源的两个板。源板使用FPGA或其他组件提供某些处理，目标板包含一些需要接收一些数据的外围组件。

为了为在这些板之间路由的信号提供一个短的返回路径，您将需要包括一条贯穿您的连接的接地连接。您可以将源板上连接器上的一个引脚连接到源板上的接地层。然后，您需要对目标板上的连接器执行相同的操作。

本质上，现在您的连接电缆中有一个接地连接，该接地连接与信号所在的平面相同。这种参考选择极为重要：您必须将此接地连接参考到与您的信号相同的参考平面，否则可能会产生接地环路。如果您有备用的引脚，则最好在板之间的连接中（最好是在相邻信号之间）放置多个接地，因为这会减少高速切换期间的接地反弹。

 

实际上，在设计并行数据的标准协议时要考虑到这种接地方案。如果查看DDR4或PCIe 等标准协议的规范，则会发现这些多板接口的引脚布局经过专门设计，在接口上具有多条接地线，以便为信号输入提供多个返回路径。连接。