電子工程師一定要了解的高頻PCB設(shè)計等技巧

數(shù)字器件正朝著高速、低耗、小體積、高抗干擾性的方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢對印刷電路板的設(shè)計提出了很多新要求。作者根據(jù)多年在硬件設(shè)計工作中的經(jīng)驗，總結(jié)一些高頻布線的技巧，供大家參考。

(1)高頻電路往往集成度較高，布線密度大，采用多層板既是布線所必須的，也是降低干擾的有效手段。

(2)高速電路器件管腳間的引線彎折越少越好。高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折，可用45°折線或圓弧轉(zhuǎn)折，滿足這一要求可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。

(3)高頻電路器件管腳間的引線越短越好。

(4)高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好。所謂“引線的層間交替越少越好”是指元件連接過程中所用的過孔(Via)越少越好，據(jù)測，一個過孔可帶來約0.5 pF的分布電容，減少過孔數(shù)能顯著提高速度。

(5)高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的“交叉干擾”，若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”來大幅度減少干擾。同一層內(nèi)的平行走線幾乎無法避免，但是在相鄰的兩個層，走線的方向務(wù)必取為相互垂直。

(6)對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施，即繪制所選對象的外輪廓線。利用此功能，可以自動地對所選定的重要信號線進(jìn)行所謂的“包地”處理，當(dāng)然，把此功能用于時鐘等單元局部進(jìn)行包地處理對高速系統(tǒng)也將非常有益。

(7)各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。

(8)每個集成電路塊的附近應(yīng)設(shè)置一個高頻去耦電容。

(9)模擬地線、數(shù)字地線等接往公共地線時要用高頻扼流環(huán)節(jié)。在實際裝配高頻扼流環(huán)節(jié)時用的往往是中心孔穿有導(dǎo)線的高頻鐵氧體磁珠，在電路原理圖上對它一般不予表達(dá)，由此形成的網(wǎng)絡(luò)表(netlist)就不包含這類元件，布線時就會因此而忽略它的存在。針對此現(xiàn)實，可在原理圖中把它當(dāng)做電感，在PCB元件庫中單獨(dú)為它定義一個元件封裝，布線前把它手工移動到靠近公共地線匯合點(diǎn)的合適位置上。

(10)模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)分開布置，獨(dú)立布線后應(yīng)單點(diǎn)連接電源和地，避免相互干擾。

(11)DSP、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器接入電源前， 應(yīng)加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。另外，在DSP與片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器等關(guān)鍵部分周圍建議屏蔽，可減少外界干擾。

(12)片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)盡量靠近DSP芯片放置， 同時要合理布局， 使數(shù)據(jù)線和地址線長短基本保持一致，尤其當(dāng)系統(tǒng)中有多片存儲器時要考慮時鐘線到各存儲器的時鐘輸入距離相等或可以加單獨(dú)的可編程時鐘驅(qū)動芯片。對于DSP系統(tǒng)而言，應(yīng)選擇存取速度與DSP相仿的外部存儲器，不然DSP的高速處理能力將不能充分發(fā)揮。DSP指令周期為納秒級，因而DSP硬件系統(tǒng)中最易出現(xiàn)的問題是高頻干擾，因此在制作DSP硬件系統(tǒng)的印制電路板(PCB)時，應(yīng)特別注意對地址線和數(shù)據(jù)線等重要信號線的布線要做到正確合理。布線時盡量使高頻線短而粗，且遠(yuǎn)離易受干擾的信號線，如模擬信號線等。當(dāng)DSP周圍電路較復(fù)雜時，建議將DSP及其時鐘電路、復(fù)位電路、片外程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器制作成最小系統(tǒng)，以減少干擾。

(13)當(dāng)本著以上原則，熟練設(shè)計工具的使用技巧以后，經(jīng)過手工布線完成后，高頻電路為了提高系統(tǒng)的靠性和可生產(chǎn)性，一般都需要利用高級的PCB仿真軟件進(jìn)行仿真。

限于篇幅本文不對具體的仿真做詳細(xì)介紹，但給大家的建議是如果有條件一定要對系統(tǒng)做仿真，這里給對幾個基本的概念。

給大家做一個基本的說明。

什么是電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)?

電磁干擾(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)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、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。

什么是信號完整性(signal integrity)?

信號完整性是指信號在信號線上的質(zhì)量。信號具有良好的信號完整性是指當(dāng)在需要的時候，具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。差的信號完整性不是由某一單一因素導(dǎo)致的，而是板級設(shè)計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。

什么是反射(reflection)?

反射就是在傳輸線上的回波。信號功率(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，反射就不會發(fā)生了。源端與負(fù)載端阻抗不匹配會引起線上反射，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)等因素的變化均會導(dǎo)致此類反射。

什么是串?dāng)_(crosstalk)?

串?dāng)_是兩條信號線之間的耦合，信號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)、信號線間距、驅(qū)動端和接收端的電氣特性及線端接方式對串?dāng)_都有一定的影響。

什么是過沖(overshoot)和下沖(undershoot)?

過沖就是第一個峰值或谷值超過設(shè)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鐘或數(shù)據(jù)錯誤(誤操作)。

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)。信號完整性問題通常發(fā)生在周期信號中，如時鐘等，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。

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時會引起地平面反彈噪聲(簡稱為地彈)，如大量芯片的輸出同時開啟時，將有一個較大的瞬態(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引發(fā)電源噪聲，這樣會在真正的地平面(0V)上產(chǎn)生電壓的波動和變化，這個噪聲會影響其他元器件的動作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時開關(guān)器件數(shù)目的增加均會導(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)字信號走到模擬地線區(qū)域時，就會產(chǎn)生地平面回流噪聲。同樣電源層也可能會被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在多電壓PCB設(shè)計中，地電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關(guān)心。

在時域(time domain)和頻域(frequency domain)之間有什么不同?

時域(time domain)是以時間為基準(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(delays)、偏移(skew)、過沖(overshoot)、下沖(undershoot)以及建立時間(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和其他EMI控制限制之間的比較。

什么是阻抗(impedance)?

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

什么是建立時間(settling time)?

建立時間就是對于一個振蕩的信號穩(wěn)定到指定的最終值所需要的時間。

什么是管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(delay)?

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

什么是偏移(skew)?

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

什么是斜率(slew rate)?

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

什么是靜態(tài)線(quiescent line)?

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

什么是假時鐘(false clocking)?

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

什么是IBIS模型?

IBIS(Input/Output Buffer Information Specification)模型是一種基于V/I曲線的對I/O BUFFER快速準(zhǔn)確建模的方法，是反映芯片驅(qū)動和接收電氣特性的一種國際標(biāo)準(zhǔn)，它提供一種標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來記錄如驅(qū)動源輸出阻抗、上升/下降時間及輸入負(fù)載等參數(shù)，非常適合做振蕩和串?dāng)_等高頻效應(yīng)的計算與仿真。

IBIS本身只是一種文件格式，它說明在一標(biāo)準(zhǔn)的IBIS文件中如何記錄一個芯片的驅(qū)動器和接收器的不同參數(shù)，但并不說明這些被記錄的參數(shù)如何使用，這些參數(shù)需要由使用IBIS模型的仿真工具來讀取。欲使用IBIS進(jìn)行實際的仿真，需要先完成以下四件工作。

(1)獲取有關(guān)芯片驅(qū)動器和接收器的原始信息源;

(2)獲取一種將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IBIS格式的方法;

(3)提供用于仿真的可被計算機(jī)識別的布局布線信息;

(4)提供一種能夠讀取IBIS和布局布線格式并能夠進(jìn) 行分析計算的軟件工具。

IBIS是一種簡單直觀的文件格式，很適合用于類似于Spice(但不是Spice，因為IBIS文件格式不能直接被Spice工具讀取)的電路仿真工具。它提供驅(qū)動器和接收器的行為描述，但不泄漏電路內(nèi)部構(gòu)造的知識產(chǎn)權(quán)細(xì)節(jié)。換句話說，銷售商可以用IBIS模型來說明它們最新的門級設(shè)計工作，而不會給其競爭對手透露過多的產(chǎn)品信息。并且，因為IBIS是一個簡單的模型，當(dāng)做簡單的帶負(fù)載仿真時，比相應(yīng)的全Spice三極管級模型仿真要節(jié)省10～15倍的計算量。

IBIS提供兩條完整的V-I曲線分別代表驅(qū)動器為高電平和低電平狀態(tài)，以及在確定的轉(zhuǎn)換速度下狀態(tài)轉(zhuǎn)換的曲線。V-I曲線的作用在于為IBIS提供保護(hù)二極管、TTL圖騰柱驅(qū)動源和射極跟隨輸出等非線性效應(yīng)的建模能力。

什么是SPICE模型?

SPICE是Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis的縮寫。

硬件調(diào)試技巧

硬件調(diào)試時應(yīng)該注意的一些問題。如在硬件調(diào)試前，應(yīng)先對電路板進(jìn)行細(xì)致的檢查，觀察有無短路或斷路情況(由于DSP的PCB板布線一般較密、較細(xì)，這種情況發(fā)生的概率還是比較高的)。加電后，應(yīng)用手感覺是否有些芯片特別熱。如果發(fā)現(xiàn)有些芯片燙得厲害，需立即掉電重新檢查電路。排除故障后，接著就應(yīng)檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠。然后用示波器檢查DSP的CLK-OUT1和CLK-OUT2引腳的信號是否正常，若正常則表明DSP本身工作基本正常。

(1)保證電源的穩(wěn)定可靠

在DSP硬件系統(tǒng)調(diào)試前，應(yīng)確保給實驗板供電的電源有良好的恒壓恒流特性。尤其要注意的是，DSP的入口電壓應(yīng)保持在5.0V±0.05V。 電壓過低，則通過JTAG接口向Flash寫入程序時，會出現(xiàn)錯誤提示;電壓過高，則會損壞DSP芯片。

(2)利用仿真軟件排除硬件故障

在完成對電路板的檢查后，就可通過仿真軟件來調(diào)試程序。由于仿真時，程序代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)中的片外程序存儲器，因而通過仿真軟件可以比較容易地檢查出一些硬件故障。在上電后，若仿真軟件調(diào)試窗口始終無法調(diào)入程序，則有兩種可能：① DSP芯片引腳存在斷路或短路現(xiàn)象;②DSP 芯片損壞。倘若是第一次利用仿真軟件調(diào)試程序，此時應(yīng)對實驗板斷電，仔細(xì)檢查DSP芯片各引腳的焊接情況。如果軟件調(diào)試窗口曾正確調(diào)入程序，則可能是DSP芯片損壞。此時，可通過檢測實驗板的整板阻抗進(jìn)一步判斷DSP芯片是否受損。若整板阻抗急劇下降，可將給DSP芯片供電的電源線割斷，檢測DSP芯片的電阻。

如果軟件調(diào)試窗口可調(diào)入程序，但調(diào)入的程序局部出錯，如對片外程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器操作的代碼變成.word xxxx，此時可能是片外程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器出現(xiàn)故障。應(yīng)仔細(xì)檢查存儲器是否存在短路或虛焊，若不存在則應(yīng)進(jìn)一步判斷存儲器是否受損。