高速PCB設(shè)計(jì)的基本入門概念解析

要做高速的PCB設(shè)計(jì)，首先必須明白下面的一些基本概念，這是基礎(chǔ)。

1、什么是電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）？

（Electromagnetic Interference），有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。 傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70年代中期出現(xiàn)以來(lái)，主要由于美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990年和歐盟在1992提出了對(duì)商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。

2、什么是信號(hào)完整性（signal integrity）？

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量。信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指當(dāng)在需要的時(shí)候，具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。差的信號(hào)完整性不是由某一單一因素導(dǎo)致的，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的。主要的信號(hào)完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。常見信號(hào)完整性問題及解決方法

問 題可 能 原 因解 決 方 法其 他 解 決 方 法

過大的上沖終端阻抗不匹配終端端接使用上升時(shí)間緩慢的驅(qū)動(dòng)源

直流電壓電平不好線上負(fù)載過大以交流負(fù)載替換直流負(fù)載在接收端端接，重新布線或檢查地平面

過大的串?dāng)_線間耦合過大使用上升時(shí)間緩慢的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器使用能提供更大驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)源

時(shí)延太大傳輸線距離太長(zhǎng)替換或從新部線，檢查串行端接使用阻抗匹配的驅(qū)動(dòng)源，變更布線策略

振蕩阻抗不匹配在發(fā)送斷串接阻尼電阻

3、什么是反射（reflection）？

反射就是在傳輸線上的回波。信號(hào)功率（電壓和電流）的一部分傳輸?shù)骄€上并達(dá)到負(fù)載處，但是有一部分被反射了。如果源端與負(fù)載端具有相同的阻抗，反射就不會(huì)發(fā)生了。

源端與負(fù)載端阻抗不匹配會(huì)引起線上反射，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)，反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

4、什么是串?dāng)_（crosstalk）？

串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合，信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

5、什么是過沖（overshoot）和下沖（undershoot）？

過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓——對(duì)于上升沿是指最高電壓而對(duì)于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（誤操作）。

6、什么是振蕩（ringing）和環(huán)繞振蕩（rounding）？

振蕩的現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖。信號(hào)的振蕩和環(huán)繞振蕩由線上過度的電感和電容引起，振蕩屬于欠阻尼狀態(tài)而環(huán)繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。信號(hào)完整性問題通常發(fā)生在周期信號(hào)中，如時(shí)鐘等，振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

7、什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲？

在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地平面反彈噪聲（簡(jiǎn)稱為地彈），如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí)，將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲，這樣會(huì)在真正的地平面（0V）上產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和變化，這個(gè)噪聲會(huì)影響其它元器件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。

由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號(hào)走到模擬地線區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地平面回流噪聲。同樣電源層也可能會(huì)被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在多電壓PCB設(shè)計(jì)中，地電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關(guān)心。

8、在時(shí)域（time domain）和頻域（frequency domain）之間有什么不同？

時(shí)域（time domain）是以時(shí)間為基準(zhǔn)的電壓或電流的變化的過程，可以用示波器觀察到。它通常用于找出管腳到管腳的延時(shí)（delays）、偏移（skew）、過沖（overshoot）、、下沖（undershoot）以及建立時(shí)間（settling times）。

頻域（frequency domain）是以頻率為基準(zhǔn)的電壓或電流的變化的過程，可以用頻譜分析儀觀察到。它通常用于波形與FCC和其它EMI控制限制之間的比較。

9、什么是阻抗（impedance）？

阻抗是傳輸線上輸入電壓對(duì)輸入電流的比率值（Z0=V/I）。當(dāng)一個(gè)源送出一個(gè)信號(hào)到線上，它將阻礙它驅(qū)動(dòng)，直到2*TD時(shí)，源并沒有看到它的改變，在這里TD是線的延時(shí)（delay）。

10、什么是建立時(shí)間（settling time）？

建立時(shí)間就是對(duì)于一個(gè)振蕩的信號(hào)穩(wěn)定到指定的最終值所需要的時(shí)間。

11、什么是管腳到管腳（pin-to-pin）的延時(shí)（delay）？

管腳到管腳延時(shí)是指在驅(qū)動(dòng)器端狀態(tài)的改變到接收器端狀態(tài)的改變之間的時(shí)間。這些改變通常發(fā)生在給定電壓的50%，最小延時(shí)發(fā)生在當(dāng)輸出第一個(gè)越過給定的閾值（threshold），最大延時(shí)發(fā)生在當(dāng)輸出最后一個(gè)越過電壓閾值（threshold） ，測(cè)量所有這些情況。

12、什么是偏移（skew）？

信號(hào)的偏移是對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)不同的接收器端之間的時(shí)間偏差。偏移還被用于在邏輯門上時(shí)鐘和數(shù)據(jù)達(dá)到的時(shí)間偏差。

13、什么是斜率（slew rate）？

Slew rate就是邊沿斜率（一個(gè)信號(hào)的電壓有關(guān)的時(shí)間改變的比率）。I/O 的技術(shù)規(guī)范 （如PCI）狀態(tài)在兩個(gè)電壓之間，這就是斜率（slew rate），它是可以測(cè)量的。

14、什么是靜態(tài)線（quiescent line）？

在當(dāng)前的時(shí)鐘周期內(nèi)它不出現(xiàn)切換。另外也被稱為 “stuck-at” 線或static線。串?dāng)_（Crosstalk）能夠引起一個(gè)靜態(tài)線在時(shí)鐘周期內(nèi)出現(xiàn)切換。

15、什么是假時(shí)鐘（false clocking）？

假時(shí)鐘是指時(shí)鐘越過閾值（threshold）無(wú)意識(shí)地改變了狀態(tài)（有時(shí)在VIL 或VIH之間）。通常由于過分的下沖（undershoot）或串?dāng)_（crosstalk）引起。