供應(yīng)：高速pcb設(shè)計(jì)，專業(yè)高速PCB設(shè)計(jì)

方藍(lán)科技擁有一批資深的軟硬件開發(fā)工程師專業(yè)從事PCB設(shè)計(jì)，PCB打樣，PCB抄板，芯片解密，樣機(jī)制作、電子產(chǎn)品研發(fā)，產(chǎn)品改良，ODM/OEM開發(fā)生產(chǎn)，軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)，單片機(jī)開發(fā)，PCBA生產(chǎn)，SMT貼片，后焊組裝加工等產(chǎn)品從開發(fā)到生產(chǎn)一條龍服務(wù)。

隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們正在從事100MHZ以上的電路設(shè)計(jì)，總線的工作頻率也已經(jīng)達(dá)到或者超過50MHZ，有的甚至超過100MHZ。目前約50% 的設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率超過50MHz，將近20% 的設(shè)計(jì)主頻超過120MHz。

當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)的完整性問題；而當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到120MHz時(shí)，除非使用高速電路設(shè)計(jì)知識(shí)，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無法工作。因此，高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采取的設(shè)計(jì)手段。只有通過使用高速電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可控性。

（二）、什么是高速電路

通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45MHZ~50MHZ，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量（比如說１／３），就稱為高速電路。

實(shí)際上，信號(hào)邊沿的諧波頻率比信號(hào)本身的頻率高，是信號(hào)快速變化的上升沿與下降沿（或稱信號(hào)的跳變）引發(fā)了信號(hào)傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此，通常約定如果線傳播延時(shí)大于1/2數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)端的上升時(shí)間，則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。

信號(hào)的傳遞發(fā)生在信號(hào)狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時(shí)間。信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端到接收端經(jīng)過一段固定的時(shí)間，如果傳輸時(shí)間小于1/2的上升或下降時(shí)間，那么來自接收端的反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之前到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。反之，反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之后到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。如果反射信號(hào)很強(qiáng)，疊加的波形就有可能會(huì)改變邏輯狀態(tài)。

（三）、高速信號(hào)的確定

上面我們定義了傳輸線效應(yīng)發(fā)生的前提條件，但是如何得知線延時(shí)是否大于1/2驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)上升時(shí)間？ 一般地，信號(hào)上升時(shí)間的典型值可通過器件手冊(cè)給出，而信號(hào)的傳播時(shí)間在PCB設(shè)計(jì)中由實(shí)際布線長(zhǎng)度決定。下圖為信號(hào)上升時(shí)間和允許的布線長(zhǎng)度(延時(shí))的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

PCB 板上每單位英寸的延時(shí)為 0.167ns.。但是，如果過孔多，器件管腳多，網(wǎng)線上設(shè)置的約束多，延時(shí)將增大。通常高速邏輯器件的信號(hào)上升時(shí)間大約為0.2ns。如果板上有GaAs芯片，則最大布線長(zhǎng)度為7.62mm。

設(shè)Tr 為信號(hào)上升時(shí)間， Tpd 為信號(hào)線傳播延時(shí)。如果Tr≥4Tpd，信號(hào)落在安全區(qū)域。如果2Tpd≥Tr≥4Tpd，信號(hào)落在不確定區(qū)域。如果Tr≤2Tpd，信號(hào)落在問題區(qū)域。對(duì)于落在不確定區(qū)域及問題區(qū)域的信號(hào)，應(yīng)該使用高速布線方法。

（四）、什么是傳輸線

PCB板上的走線可等效為下圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻的典型值0.25-0.55 ohms/foot，因?yàn)榻^緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的PCB連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Zo。線徑越寬，距電源/地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號(hào)和信號(hào)最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號(hào)在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射信號(hào)將傳回信號(hào)發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號(hào)的幅度將減小，直到信號(hào)的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。這種效應(yīng)被稱為振蕩，信號(hào)的振蕩在信號(hào)的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹健?

（五）、傳輸線效應(yīng)

基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會(huì)對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)帶來以下效應(yīng)。

? 反射信號(hào)Reflected signals

? 延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤Delay & Timing errors

? 多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤False Switching

? 過沖與下沖Overshoot/Undershoot

? 串?dāng)_Induced Noise (or crosstalk)

? 電磁輻射EMI radiation

5.1 反射信號(hào)

如果一根走線沒有被正確終結(jié)(終端匹配)，那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。當(dāng)失真變形非常顯著時(shí)可導(dǎo)致多種錯(cuò)誤，引起設(shè)計(jì)失敗。同時(shí)，失真變形的信號(hào)對(duì)噪聲的敏感性增加了，也會(huì)引起設(shè)計(jì)失敗。如果上述情況沒有被足夠考慮，EMI將顯著增加，這就不單單影響自身設(shè)計(jì)結(jié)果，還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失敗。

反射信號(hào)產(chǎn)生的主要原因：過長(zhǎng)的走線；未被匹配終結(jié)的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。

5.2 延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤

信號(hào)延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤表現(xiàn)為：信號(hào)在邏輯電平的高與低門限之間變化時(shí)保持一段時(shí)間信號(hào)不跳變。過多的信號(hào)延時(shí)可能導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤和器件功能的混亂。

通常在有多個(gè)接收端時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。電路設(shè)計(jì)師必須確定最壞情況下的時(shí)間延時(shí)以確保設(shè)計(jì)的正確性。信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的原因：驅(qū)動(dòng)過載，走線過長(zhǎng)。

5.3 多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤

信號(hào)在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限從而導(dǎo)致這一類型的錯(cuò)誤。多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤是信號(hào)振蕩的一種特殊的形式，即信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限會(huì)導(dǎo)致邏輯功能紊亂。反射信號(hào)產(chǎn)生的原因：過長(zhǎng)的走線，未被終結(jié)的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。

5.4 過沖與下沖

過沖與下沖來源于走線過長(zhǎng)或者信號(hào)變化太快兩方面的原因。雖然大多數(shù)元件接收端有輸入保護(hù)二極管保護(hù)，但有時(shí)這些過沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元件電源電壓范圍，損壞元器件。

5.5 串?dāng)_

串?dāng)_表現(xiàn)為在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過時(shí)，在PCB板上與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)，我們稱之為串?dāng)_。

信號(hào)線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)越小。異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)更容易產(chǎn)生串?dāng)_。因此解串?dāng)_的方法是移開發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號(hào)。

5.6 電磁輻射

EMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對(duì)電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。目前已有進(jìn)行 EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數(shù)和邊界條件設(shè)置又很困難，這將直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。最通常的做法是將控制EMI的各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用在設(shè)計(jì)的每一環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)上的規(guī)則驅(qū)動(dòng)和控制。