当今PCB正朝着高速、高密度和高集成度发展，但在这一过程中，也必然存在着信号完整性问题，如信号完整性较低就会造成项目费用的上升、延迟产品推出、减少产品效益等。目前，PCB在电子系统中存在着信号完整性问题，进而本文就针对PCB的特点，介绍PCB的信号完整性设计的方法，希望能对相关工作人员在开展工作时有所帮助。
一、PCB信号完整性的概念
信号完整性就是一个信号处在信号线路的合适位置，并且能够根据需要的电压等级来响应这个信号。在一定的时间、持续时间和电压幅值到达一定的范围内，表明该电路满足了信号的传递需求，反之则说明信号的完整性出现了问题，进而就会出现误触发、过冲等问题，从而造成数据的误差。高速信号和高频信号不一样，它并不单纯是一个高频率的信号，它还具备陡峭的边缘和快速变化的特性。一般在工作频率大于50MHz的时候，就会产生信号的发送延时，这个时候就可以把该系统称为一个高速的数字系统。当信号边缘的改变速度很大时，就会被认为是一个高速数字系统。目前，由于技术的发展，100MHz以上的电子器件到处都是，这种高频电路的PCB电路非常的繁琐，它很难分辨出这些电路的特性和功能，因此，在PCB中实现对数据的正确传输和加工是PCB信号完整性设计的一个难题[1]。
二、PCB的叠层设计
（一）层数的选择和叠加原则
PCB板的厚度可以通过电源、接地方式、走线密度来判断，但要精确地计算出PCB板的叠层数量，还要考虑到其它的因素，比如工作频率，以及价格的承载力。单从布线的角度来说，布线和层数有关，层数多了，对线路的好处就大了，但要考虑到其它的问题，制作起来就更加困难了。通常来说，有经验的设计师并不会只依据上述的要素来决定PCB板的层数，而会先对元件进行初步的规划，再对布线中的问题进行详细的研究，再将各方面的问题进行分析，比如电路板的布线强度以及特定的信号灯的安装位置，最后决定供电层的数量，以及层数的确定。
（二）电源层、地层平面的阻抗以及电源、地之间的信号完整性问题
一是供电端和地面本身都有某种特征阻抗，相比之下供电端的阻抗要高于接地端的电阻。二是为实现供电面阻抗在某种范围内减小，PCB的主要供电面应该尽可能邻近地布置和尽可能接近，从而通过二者之间的耦合电容来减小供电面的阻抗。
（三）电源层、地层、信号层的相对位置
叠层排列的基本原理：一是地面通常置于元件下方，如此布置既便于元件的屏蔽层，又能为表面布线工作的基准面。二是根据有关规定PCB上的信号层必须尽可能靠近地面。三是尽量靠近所述主供电装置的相应接地面。四是考虑到层结构的对称性。
三、信号完整性分析设计模型
（一）SPICE模型
SPICE的模型分为两个方面：一个是方程式，另一个是参数。SPICE模型是指由一组子电路构成的网络表格，它可以用子电路的方式来构造一个简易的模拟网表。在电路设计中，各个元件的SPICE参数是反映元件的物性与电气性能的重要指标。模型的精度取决于模型参数的充分程度和精度。SPICE模型技术较为完善，仿真准确率高，但由于泄漏了生产过程中的生产信息，进而影响了IP的安全，使得模型的获取难度变大。
（二）IBIS模型
IBIS模型的基本结构是以I/V和V/T两种方式来表示集成电路I/0单元和引脚的特性。IBIS模型的分析准确率主要依赖于IV和V/T表中的数据点数量和准确度。IBIS的PCB板级模拟是通过查表法进行的，因此计算量很少，一般仅为SPICE的1/10~1/100，而且速度很高。IBIS模型具有对自主知识财产权的保障，因此模型容易获得和理解，但是它的缺点是缺少对变换噪音进行建模，无法对具有向上控制的驱动电路进行较好的模拟。且PCB板上的传输线可以用SPICE简化传输线进行SI前和空间解析，但在接线后的分析中必须根据PCB的实际情况，选用传输线SPICE模型[2]。
四、信号完整性的表现形式
随着电子设备应用的迅速发展PCB的设计越来越重要，如何提高PCB信号的完整性，是目前PCB领域研究的热点问题，PCB信号完整性的表现形式有以下几个方面：一是在信号的反射方面，在传递的同时每个时刻都有一种瞬态阻抗，如果所感知的暂态电阻是相同的，则可以平稳地传递；信号的反射是在信号感应到的瞬态电阻出现改变时发生的。反射是一种常见的信号完整性问题，我们虽然可以对其进行不断的减少而无法彻底地解决，进而在PCB的电路结构中，可以采用多种方式来控制电路的线路拓扑结构、控制线路的电阻，并对线路进行匹配处理。二是轨道崩塌是由于供电通路与接地通路之间的电流改变而引起的压降，即供电通路与接地通路之间的电阻下降或坍塌。线路坍塌噪音是电力供应系统的重要组成部分。解决办法：将去耦电容置于供电端与接地端，并尽量缩短供电线路与接地线路的宽度，功率层和层位尽量接近，且回流的电流要尽量接近于信号电流。三是电磁干涉分为两类：传导型和辐射型。高频信号线、集成电路的引脚、各种接插件等都有可能是造成电磁辐射的原因，从而对其它设备或系统的其它子系统造成干扰。解决办法：对高频、模拟、敏感等器件的适当排列，并对PCB的模拟、数字等进行适当的分区和选用适当的接线形式等。
五、PCB设计在实际工程中的应用
（一）电气自动化控制系统的基本组成
传统的电子自动控制装置，它的输入包含有数字的开口数和模拟量的输入、开口数、切割机、闸刀等的位置，而模拟量的输入是利用变压器来调整被测量的电压、电流，再经过滤波、取样、保持、模数转换，以生成主要的控制模数。系统输出是以数字开出，由一个独立的元件，如一个中继或一个光耦合器来控制一个外接点或一个外接点来驱动其它的电路。
（二）模拟量输入系统PCB可靠性设计
在模拟信号滤波中最常见的方法是利用一、二次阶RC滤波器过滤掉高频成分，从而避免对后端的信号进行干扰。PCB的设计需要在同一平面上布置RC元件，而不能用穿孔板进行连接，这样可以有效地去除穿孔的RLC对滤波器性能的干扰。有些ADC芯片内置采样保持，且在进行外置时要保证该部份的接线尽可能粗短且少的穿孔。在多相输电线路的检测与防护中，往往要同时取样大量的电流、电压信道，所以往往要采用多个ADC晶片来完成数据的收集，PCB设计的时候必须将多个ADC进行靠近分布，而地平面则必须在多个ADC芯片的布置区下面，并且最好是采用一个外部的基准电压电源，以便避免不同内部参考电压的差别，保证所有的参考电压都经过最小的通路传送到每个ADC上[3]。
（三）开关量输入及输出系统PCB可靠性设计
一次和二次测量的通信主要是由输入和输出两部分完成的，为了消除干扰，这种信号需要用光电耦合器或者继电器来实现。在采用继电器时，印刷电路板的设计必须保证继电器接点与控制线圈的电绝缘间距。线圈信号和内置式二次控制信号也要用光学耦合器来隔离，以消除线圈信号的干扰。在采用光耦器时，印刷电路板的设计必须保证在耦合之前和之后的信号间的电隔离间距。
六、结语
综上所述，PCB的信号完整性直接关系到PCB的信号传输质量，在高密度、高集成和轻质量发展过程中，PCB的信息集成问题日益突出，已经严重地制约了PCB的开发和使用。因此，在PCB的设计中，必须正确理解PCB的信息完整性，提高PCB的整体设计水平，进而为其为今后的发展奠定基础。
参考文献
[1]李帅.浅谈PCB的信号完整性设计分析[J].中国新通信,2019,21(24):59.
[2]袁为群,宋建远,陈世荣.基于信号完整性的高速PCB优化设计与研究[J].广东工业大学学报,2019,36(06):74-79.
[3]董磊.信号完整性在PCB可靠性设计中的应用[J].电子世界,2017(21):100-101.
