高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述(精)

1、高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述引言 ?隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高，而信號(hào)的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，分析原因，又找不出問(wèn)題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢 ? 硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過(guò)驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來(lái)判定是否滿足需求。這方面的引 言?隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高，而信號(hào)的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，

2、分析原因，又找不出問(wèn)題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢 ?硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過(guò)驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來(lái)判定是否滿足需求。這方面的資料相當(dāng)多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、 SI 、 PI 、EMC、熱設(shè)計(jì)等 5 個(gè)部分。1 特性阻抗近年來(lái)，在數(shù)字信號(hào)速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時(shí)，還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問(wèn)題。這樣，原來(lái)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復(fù)雜傳輸線了。在高頻情況下，印制板（ PCB）上傳輸信號(hào)的

3、銅導(dǎo)線可被視為由一連串等效 電阻及一并聯(lián) 電感所組合而成的傳導(dǎo)線路，如圖 1 所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián) 電容的效應(yīng)，會(huì)得到以下公式：式中 Z0 即特性阻抗，單位為。PCB的特性阻抗 Z0 與 PCB設(shè)計(jì)中布局和走線方式密切相關(guān)。影響 PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。在 PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有 4 種：表面微帶線（ surfacemic rostrip）、嵌入式微帶線（ embedded microstrip）、帶狀線（ strip

4、line ）、雙帶線（ dual -stripline ）。下面只說(shuō)明表面微帶線結(jié)構(gòu)，它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線模型結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其Z0 的計(jì)算公式如下：對(duì)于差分信號(hào)，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：公式中： PCB基材的介電常數(shù)；b PCB傳輸導(dǎo)線線寬；d1 PCB傳輸導(dǎo)線線厚；d2 PCB介質(zhì)層厚度；D差分線對(duì)線邊沿之間的線距。從公式中可以看出，特性阻抗主要由、 b、 d1、d2 決定。通過(guò)控制以上 4 個(gè)參數(shù)，可以得到相應(yīng)的特性阻抗。2 信號(hào)完整性（ SI ）SI 是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá) I

5、C，則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問(wèn)題。從廣義上講，信號(hào)完整性問(wèn)題主要表現(xiàn)為 5 個(gè)方面：延遲、 反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。延遲是指信號(hào)在 PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng) PCB板上導(dǎo)線 ( 高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線 ) 的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號(hào)的過(guò)沖和下沖。如果信號(hào)在傳輸線上來(lái)回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。由于 PCB板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，因此，當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過(guò)互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€，即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。信號(hào)質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對(duì)于大家熟知的頻率、周期、占空