高速 PCB 設計入門(mén)概念問(wèn)答集

要做高速的 PCB 設計，首先必須明白下面的一些基本概念，這是基礎。

1、什么是電磁干擾（EMI）和電磁兼容性(EMC)?

(Electromagnetic Interference)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。 傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。在高速 PCB 及系統設計中，高頻信號線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。自從電子系統降噪技術(shù)在70 年代中期出現以來(lái)，主要由于美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )在 1990年和歐盟在 1992 提出了對商業(yè)數碼產(chǎn)品的有關(guān)規章，這些規章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則。符合這些規章的產(chǎn)品稱(chēng)為具有電磁兼容性 EMC（Electromagnetic Compatibility）。

2、什么是信號完整性(signal integrity)?

信號完整性是指信號在信號線(xiàn)上的質(zhì)量。信 號具有良好的信號完整性是指當在需要的時(shí)候，具有所必需達到的電壓電平數值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問(wèn)題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。

常見(jiàn)信號完整性問(wèn)題及解決方法

3、什么是反射(reflection)?

反射就是在傳輸線(xiàn)上的回波。信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸到線(xiàn)上并達到負載處，但是有一部分被反射了。如果源端與負載端具有相同的阻抗，反射就不會(huì )發(fā)生了。源端與負載端阻抗不匹配會(huì )引起線(xiàn)上反射，負載將一部分電壓反射回源端。如果負載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負，反之，如果負載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線(xiàn)的幾何形狀、不正確的線(xiàn)端接、經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面的不連續等因素的變化均會(huì )導致此類(lèi)反射。

4、什么是串擾(crosstalk)?

串擾是兩條信號線(xiàn)之間的耦合，信號線(xiàn)之間的互感和互容引起線(xiàn)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、信號線(xiàn)間距、驅動(dòng)端和接收端的電氣特性及線(xiàn)端接方式對串擾都有一定的影響。

5、什么是過(guò)沖(overshoot)和下沖(undershoot)?

過(guò)沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過(guò)設定電壓——對于上升沿是指最高電壓而對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。

過(guò)分的過(guò)沖能夠引起保護二極管工作，導致過(guò)早地失效。過(guò)分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數據錯誤(誤操作)。

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

振蕩的現象是反復出現過(guò)沖和下沖。信 號的振蕩和環(huán)繞振蕩由線(xiàn)上過(guò)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(guò)阻尼狀態(tài)。信號完整性問(wèn)題通常發(fā)生在周期信號中，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(guò)適當的端接予以減小，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(chēng)為地彈），如大量芯片的輸出同時(shí)開(kāi)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(guò)，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。負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開(kāi)關(guān)器件數目的增加均會(huì )導致地彈的增大。由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等，當數字信號走到模擬地線(xiàn)區域時(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 設計中，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)間為基準的電壓或電流的變化的過(guò)程，可以用示波器觀(guān)察到。它通常用于找出管腳到管腳的延時(shí)(delays)、偏移(skew)、過(guò)沖(overshoot)、下沖(undershoot)以及建立時(shí)間(settling times)。頻域(frequency domain)是以頻率為基準的電壓或電流的變化的過(guò)程，可以用頻譜分析儀觀(guān)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(xiàn)上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。當一個(gè)源送出一個(gè)信號到線(xiàn)上，它 將阻礙它驅動(dòng)，直 到 2*TD時(shí)，源 并沒(méi)有看到它的改變，在 這里 TD 是線(xiàn)的延時(shí)(delay)。

10、什么是建立時(shí)間(settling time)?

建立時(shí)間就是對于一個(gè)振蕩的信號穩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)生在當輸出第一個(gè)越過(guò)給定的閾值(threshold)，最大延時(shí)發(fā)生在當輸出最后一個(gè)越過(guò)電壓閾值(threshold) ，測量所有這些情況。

12、什么是偏移(skew)?

信號的偏移是對于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )到達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(mén)上時(shí)鐘和數據達到的時(shí)間偏差。

13、什么是斜率(slew rate)?

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

14、什么是靜態(tài)線(xiàn)(quiescent line)?

在當前的時(shí)鐘周期內它不出現切換。另外也被稱(chēng)為 stuck-at 線(xiàn)或 static 線(xiàn)。串擾(Crosstalk)能夠引起一個(gè)靜態(tài)線(xiàn)在時(shí)鐘周期內出現切換。

15、什么是假時(shí)鐘(false clocking)?

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