【E問(wèn)E答】高速PCB設(shè)計(jì)入門概念問(wèn)答集

　　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(guò)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(guò)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(wèn)題包括反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。

　　常見信號(hào)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(guò)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(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(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(guò)分的過(guò)沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過(guò)早地失效。過(guò)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(guò)沖和下沖。信 號(hào)的振蕩和環(huán)繞振蕩由線上過(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(hào)完整性問(wèn)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(guò)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(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(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(guò)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(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(zhǔn)的電壓或電流的變化的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)分的下沖(undershoot)或串?dāng)_(crosstalk)引起。