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1、高速PCB布線拓?fù)渥呔€的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一個網(wǎng)絡(luò)的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。對于多負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實際情況，選擇合適的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采取正確的地”端接方式很重要。通常情形下，PCB走線可以選用如圖所示的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(打點到點周期性負(fù)載BY:zlqO416(b)(1)點到點如圖2(a)所示的是點到點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較簡單，只要在驅(qū)動端或接收端進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ?通常情況下使用其中的一種就夠了，有的電路會出現(xiàn)要求同時使用兩種匹配的情況)，便可以得到較好的信號完整性。(2)菊花鏈當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的整個走線長度延遲小于信號的上升或下降時間時，可采用如圖(b)所示的菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線從驅(qū)動端開始，依次到達(dá)各接收端，在實際

2、設(shè)計中，應(yīng)使菊花鏈布線中分支長度盡可能短。菊花鏈走線的優(yōu)點是：占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)；在控制走線的高次諧波干擾方面，效果較好菊花鏈走線的缺點是：布通率低，不容易100%布通；不同的信號接收端，信號的接收是不同步的。(3)星形一個信號驅(qū)動器驅(qū)動多個信號接收器，并要求多個信號接收器同時接收信號時，要使用如圖(c)所示的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求每個分支的接收端負(fù)載和走線長度盡量保持一致，每條分支上一般都需要終端電阻，終端電阻的阻值應(yīng)和連線的特征阻抗相匹配。這樣即使在邊沿速率非?？斓那闆r下仍可以得到很好的性能。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地避免時鐘信號的不同步問題，但在密度很高的PCB上手工完成布

3、線十分困難，可采用自動布線器完成星形布線。(4)遠(yuǎn)端分支遠(yuǎn)端分支如圖(d)所示，它跟星形類似，只不過分支是靠近接收端。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也要限制遠(yuǎn)端分支的長度，使分支上的傳輸延時小于信號的上升或下降時間。(5)周期性負(fù)載周期性負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖(c)所示，要求每段分支的長度足夠小，使分支上的傳輸延時小于信號的上升或下降時間。這種主干傳輸線和所有的分支段組合起來的結(jié)構(gòu)可以被看做一段新的傳輸線，其特征阻抗要比原來主干傳輸線的特征阻抗小，傳輸速率也比原來的低，因此在進(jìn)行阻抗匹配時要注意。在實際的PCB設(shè)計過程中，對于關(guān)鍵信號，應(yīng)通過信號完整性分析來決定采用哪一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PCB布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以其應(yīng)用場

4、合常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：(1)點到點拓?fù)渥詈唵蔚耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，單一驅(qū)動器、單一接收器(2)緊湊樹形拓?fù)溆米疃痰幕ミB傳輸線將驅(qū)動器和接收器一個一個串起來，從主驅(qū)動器開始，首先用傳輸線連接到與該主驅(qū)動器最近的一個緩沖器上，然后在剩下的未連接緩沖器中尋找與已經(jīng)連接的緩沖器最近的一個緩沖器，并將兩者用傳輸線連接起來，依次類推，直至完成所有的緩沖器連接(3)菊花鏈拓?fù)溆米疃痰幕ミB傳輸線把所有的緩沖器連接起來，但是每個緩沖器最多只能通過兩段傳輸線連接到另外的兩個緩沖器，從主驅(qū)動器開始，然后通過傳輸線連接到與主驅(qū)動器最近的緩沖器上，然后查找與該緩沖器最近的未連接緩沖器，將兩者用傳輸線連接起來，然后再以剛加入連接的緩

5、沖器為基準(zhǔn)，再次查找最近的未連接緩沖器進(jìn)行連接，依此類推，直至完成所有的緩沖器連接，連接完成后，從主驅(qū)動器開始，所有的緩沖器連接成鏈狀(4)星形拓?fù)鋸闹黩?qū)動器開始，首先通過傳輸線完成和其它驅(qū)動器的菊花連接，然后所有的接收器都通過傳輸線連接到最后一個連入驅(qū)動器菊花鏈的那個驅(qū)動器上。如果只有一個驅(qū)動器，則這個驅(qū)動器位于星形的中央。(5)遠(yuǎn)端簇形與星形很相似，不同之處在于最后一個連入驅(qū)動器菊花鏈的那個驅(qū)動器通過一段較長的傳輸線連接到一個“T形節(jié)點上，然后所有的接收器也都通過傳輸線連接到這個“T節(jié)點上，所有的接收器都簇籠在一起。(6)混合拓?fù)涫且陨细鞒Ｒ?guī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合、交叉使用。各種互連拓?fù)涞奶攸c和適

6、用場合網(wǎng)絡(luò)連接究竟應(yīng)該采用哪種拓?fù)湫问?，在很大程度上是由電路的要求決定的，然后才是布局、布線的方便性。(1)點到點拓?fù)溥@種拓?fù)涫亲詈唵蔚?，布局布線上都很容易實現(xiàn)，易于實現(xiàn)阻抗控制。普通低速網(wǎng)絡(luò)是否能采用用點到點拓?fù)?，完全看電路的需求；而高速和超高速的互連，很多情況下必需要求點到點的互連，如高速串行信號的互連，以最小化阻抗不連續(xù)帶來的影響；精確定時的時鐘信號也不允許有分叉存在，因為分叉帶來的阻抗不連續(xù)會引起附加抖動。(2)緊湊樹形拓?fù)溥@種拓?fù)淇偟幕ミB線長度是最短的，只適用于低速、不用阻抗控制的信號，比如在沒有電源層的情況下，電源的布線就可以采用這種拓?fù)洹?3)菊花鏈拓?fù)湟话愣?，對于多?fù)載的總線

7、系統(tǒng)常采用菊花鏈拓?fù)?，并在最遠(yuǎn)端的負(fù)載處進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕K結(jié)。菊花鏈拓?fù)涞膬?yōu)勢在于易于進(jìn)行阻抗控制，端接簡單，網(wǎng)絡(luò)的布線長度短，布線較為方便，只要各個接收器在接收信號時間上的差別在允許的范圍內(nèi)就可以采用菊花鏈拓?fù)溥M(jìn)行布線(這也說明菊花鏈拓?fù)洳贿m用于高速系統(tǒng))，注意要讓菊花鏈的分支線盡量短，一般需要前仿真和后仿真。(4)星形拓?fù)湫切瓮負(fù)湟彩且环N常用的多負(fù)載布線拓?fù)?，?qū)動器位于星形的中央，呈輻射狀與多個負(fù)載相連，星形拓?fù)淇梢杂行П苊庑盘栐诙鄠€負(fù)載上的不同步問題，可以讓負(fù)載上收到的信號完全同步。星形拓?fù)涞膯栴}在于需要對每個支路分別終端端接，使用器件多，而且驅(qū)動器的負(fù)載大，必需驅(qū)動器有相應(yīng)的驅(qū)動能力才能使用

8、星形拓?fù)?，如果?qū)動能力不夠，需要加緩沖器。為了降低功耗和緩解驅(qū)動器的負(fù)載壓力，可以采用RC終端端接，但這種端接方式更加復(fù)雜，而且只能用于時鐘信號。星形拓?fù)湟话阍跁r鐘網(wǎng)絡(luò)或?qū)π盘柾揭蟾叩木W(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，其共同點就是要求各接收器在同一時刻收到驅(qū)動端發(fā)來的信號，星形拓?fù)涞牟季€難度比菊花鏈拓?fù)涞囊?，占用空間也大。實際的星形拓?fù)鋾嬖诙私觽鬏斁€分支，驅(qū)動器與公共節(jié)點間存在傳輸線分支，這些都會劣化信號，所以在完成星形拓?fù)湟话阈枰胺抡婧秃蠓抡?，以保證信號的完整性。(5)遠(yuǎn)端簇形拓?fù)溥h(yuǎn)端簇形拓?fù)鋵嶋H上是星形拓?fù)涞囊粋€改進(jìn)，它將星形拓?fù)渲形挥谠炊说姆种Ч?jié)點移動到與接收器最近的遠(yuǎn)端，即滿足了各個接收器上接收信

9、號的同步問題，又解決了阻抗匹配復(fù)雜和驅(qū)動器負(fù)載重的問題，因為遠(yuǎn)端簇形拓?fù)渲恍枰诜种Ч?jié)點處終端匹配就可以了。遠(yuǎn)端簇形拓?fù)湟蟾鱾€接收器到分支點的距離要盡量近，分支線長了會嚴(yán)重影響信號的質(zhì)量，如果各個接收器芯片在空間上不能擺放在一起，那么就不能采用遠(yuǎn)端簇形拓?fù)?。同樣，一般需要前仿真和后仿真，以保證信號的完整性。(6)混合拓?fù)錈o招勝有招，混合拓?fù)鋵儆谠O(shè)計人員自由發(fā)揮了，但不管怎么樣，必需要滿足電路的要求，一定要進(jìn)行前、后仿真，確保信號的質(zhì)量OK。總之，我們在進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計時，可以在以上經(jīng)典的拓?fù)浠A(chǔ)上靈活運用，沒有定式，一個大的原則就是保證信號質(zhì)量，武器就是利用SI軟件進(jìn)行拓?fù)涞姆治龊头抡?。如何避?/p>

10、高速PCB設(shè)計中傳輸線效應(yīng)技術(shù)分類：EDAT具與服務(wù)|2009-11-201、抑止電磁干擾的方法很好地解決信號完整性問題將改善PC時的電磁兼容性(朝。其中非常重要的是保證PC時有很好的接地。對復(fù)雜的設(shè)計采用一個信號層配一個地線層是十分有效的方法。此外，使電路板的最外層信號的密度最小也是減少電磁輻射的好方法，這種方法可采用"表面積層"技術(shù)"Build-up"設(shè)計制做PCB來實現(xiàn)。表面積層通過在普通工藝PCB上增加薄絕緣層和用于貫穿這些層的微孔的組合來實現(xiàn)，電阻和電容可埋在表層下，單位面積上的走線密度會增加近一倍，因而可降低PCB的體積。PCB面積的縮小對走

11、線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有巨大的影響，這意味著縮小的電流回路，縮小的分支走線長度，而電磁輻射近似正比于電流回路的面積；同時小體積特征意味著高密度引腳封裝器件可以被使用，這又使得連線長度下降，從而電流回路減小，提高電磁兼容特性。2、嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度如果設(shè)計中有高速跳變的邊沿，就必須考慮到在PCB板上存在傳輸線效應(yīng)的問題?，F(xiàn)在普遍使用的很高時鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問題。解決這個問題有一些基本原則：如果采用CMO或TTL電路進(jìn)行設(shè)計，工作頻率小于10MHz布線長度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50MHz布線長度應(yīng)不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過75MHz布線長度應(yīng)在1英寸。對于Ga

12、As芯片最大的布線長度應(yīng)為0.3英寸。如果超過這個標(biāo)準(zhǔn)，就存在傳輸線的問題。3、合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決傳輸線效應(yīng)的另一個方法是選擇正確的布線路徑和終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用高速邏輯器件時，除非走線分支長度保持很短，否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線上的分支走線所扭曲。通常情形下，PCB走線采用兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即菊花鏈(DaisyChain)布線和星形(Star)分布。對于菊花鏈布線，布線從驅(qū)動端開始，依次到達(dá)各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來改變信號特性，串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動端。在控制走線的高次諧波干擾方面，菊花鏈走線效果最好。但這種走線方式

13、布通率最低，不容易100雙通。實際設(shè)計中，我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短，安全的長度值應(yīng)該是：StubDelay<=Trt*0.1.例如，高速TTL電路中的分支端長度應(yīng)小于1.5英寸。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)。但是這種走線結(jié)構(gòu)使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效的避免時鐘信號的不同步問題，但在密度很高的PCBS上手工完成布線十分困難。采用自動布線器是完成星型布線的最好的方法。每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應(yīng)和連線的特征阻抗相匹配。這可通過手工計算，也可通過CAD工具計算出特征阻抗值和終端匹配電阻值。在上面的兩個例子中

14、使用了簡單的終端電阻，實際中可選擇使用更復(fù)雜的匹配終端。第一種選擇是RC匹配終端。RC匹配終端可以減少功率消耗，但只能使用于信號工作比較穩(wěn)定的情況。這種方式最適合于對時鐘線信號進(jìn)行匹配處理。其缺點是RC匹配終端中的電容可能影響信號的形狀和傳播速度。串聯(lián)電阻匹配終端不會產(chǎn)生額外的功率消耗，但會減慢信號的傳輸。這種方式用于時間延遲影響不大的總線驅(qū)動電路。串聯(lián)電阻匹配終端的優(yōu)勢還在于可以減少板上器件的使用數(shù)量和連線密度。最后一種方式為分離匹配終端，這種方式匹配元件需要放置在接收端附近。其優(yōu)點是不會拉低信號，并且可以很好的避免噪聲。典型的用于TTL輸入彳t號(ACT,HCT,FAST)。此外，對于終端

15、匹配電阻的封裝型式和安裝型式也必須考慮。通常SMDI面貼裝電阻比通孔元件具有較低的電感，所以SMD寸裝元件成為首選。如果選擇普通直插電阻也有兩種安裝方式可選：垂直方式和水平方式。垂直安裝方式中電阻的一條安裝管腳很短，可以減少電阻和電路板間的熱阻，使電阻的熱量更加容易散發(fā)到空氣中。但較長的垂直安裝會增加電阻的電感。水平安裝方式因安裝較低有更低的電感。但過熱的電阻會出現(xiàn)漂移，在最壞的情況下電阻成為開路，造成PCB走線終結(jié)匹配失效，成為潛在的失敗因素。0高速信號走線規(guī)則2007年05月26日星期六21:51隨著信號上升沿時間的減小，信號頻率的提高，電子產(chǎn)品的EMI問題，也來越受到電子工程師的關(guān)注。高

16、速PCB設(shè)計的成功，對EMI的貢獻(xiàn)越來越受到重視，幾乎60%的EMI問題可以通過高速PCB來控制解決。規(guī)則一：高速信號走線屏蔽規(guī)則cedn時鐘等關(guān)德信號線如上圖所示：在高速的PCB設(shè)計中，時鐘等關(guān)鍵的高速信號線，走需要進(jìn)行屏蔽處理，如果沒有屏蔽或只屏蔽了部分，都是會造成EMI的泄漏。建議屏蔽線，每1000mil,打孔接地。規(guī)則二：高速信號的走線閉環(huán)規(guī)則由于PCB板的密度越來越高，很多PCBLAYOUT工程師在走線的過程中，很容易出現(xiàn)這種失誤，如下圖所示：地時鐘等有速信號時鐘信號等高速信號網(wǎng)絡(luò)，在多層的PCB走線的時候產(chǎn)生了閉環(huán)的結(jié)果，這樣的閉環(huán)結(jié)果將產(chǎn)生環(huán)形天線，增加EMI的輻射強(qiáng)度。規(guī)則三：

17、高速信號的走線開環(huán)規(guī)則規(guī)則二提到高速信號的閉環(huán)會造成EMI輻射，同樣的開環(huán)同樣會造成EMI輻射,如下圖所示：地/時鐘等高速信號時鐘信號等高速信號網(wǎng)絡(luò)，在多層的PCB走線的時候產(chǎn)生了開環(huán)的結(jié)果，這樣的開環(huán)結(jié)果將產(chǎn)生線形天線，增加EMI的輻射強(qiáng)度。在設(shè)計中我們也要避免。規(guī)則四：高速信號的特性阻抗連續(xù)規(guī)則高速信號，在層與層之間切換的時候必須保證特性阻抗的連續(xù)，否則會增加EMI的輻射，如下圖：時鐘等高速信號也就是：同層的布線的寬度必須連續(xù)，不同層的走線阻抗必須連續(xù)規(guī)則五：高速PCB設(shè)計的布線方向規(guī)則相鄰兩層間的走線必須遵循垂直走線的原則，否則會造成線間的串?dāng)_，增加EMI輻射，如下圖：相鄰的布線層遵循橫

18、平豎垂的布線方向，垂直的布線可以抑制線間的申擾。規(guī)則六：高速PCB設(shè)計中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則在高速PCB設(shè)計中有兩個最為重要的內(nèi)容，就是線路板特性阻抗的控制和多負(fù)載情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計。在高速的情況下，可以說拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的是否合理直接決定，產(chǎn)品的成功還是失敗。程IIIIOK1QK手食就'費毒箋就/error如上圖所示，就是我們經(jīng)常用到的菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般用于幾Mhz的情況下為益。高速的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)我們建議使用后端的星形對稱結(jié)構(gòu)。規(guī)則七：走線長度的諧振規(guī)則檢查信號線的長度和信號的頻率是否構(gòu)成諧振，即當(dāng)布線長度為信號波長1/4的時候的整數(shù)倍時，此布線將產(chǎn)生諧振，而諧振就會輻射電磁波，產(chǎn)

19、生干擾規(guī)則八：回流路徑規(guī)則cedn腫等髓信號電郵棚等趟居所有的高速信號必須有良好的回流路徑。近可能的保證時鐘等高速信號的回流路徑最小。否則會極大的增加輻射，并且輻射的大小和信號路徑和回流路徑所包圍的面積成正比。規(guī)則九：器件的退耦電容擺放規(guī)則退耦電容的擺放的位置非常的重要。不合理的擺放位置，是根本起不到退耦的效果。退耦電容的擺放的原則是：靠近電源的管腳，并且電容的電源走線和地線所包圍的面積最小。SI高速電路設(shè)計：高速PCBS計理論基礎(chǔ)第一部分信號完整性知識基礎(chǔ)第一章高速數(shù)字電路概述現(xiàn)代的電子設(shè)計和芯片制造技術(shù)正在飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的復(fù)雜度、時鐘和總線頻率等等都呈快速上升趨勢，但系統(tǒng)的電壓卻不斷在

20、減小，所有的這一切加上產(chǎn)品投放市場的時間要求給設(shè)計師帶來了前所未有的巨大壓力。要想保證產(chǎn)品的一次性成功就必須能預(yù)見設(shè)計中可能出現(xiàn)的各種問題，并及時給出合理的解決方案，對于高速的數(shù)字電路來說，最令人頭大的莫過于如何確保瞬時跳變的數(shù)字信號通過較長的一段傳輸線，還能完整地被接收，并保證良好的電磁兼容性，這就是目前頗受關(guān)注的信號完整性（SI）問題。本章就是圍繞信號完整性的問題，讓大家對高速電路有個基本的認(rèn)識，并介紹一些相關(guān)的基本概念。1.1 何為高速電路高速電路”已經(jīng)成為當(dāng)今電子工程師們經(jīng)常提及的一個名詞，但究竟什么是高速電路？這的確是一個熟悉”而又模糊”的概念。而事實上，業(yè)界對高速電路并沒有一個統(tǒng)一

21、的定義，通常對高速電路的界定有以下多種看法：有人認(rèn)為，如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45MHZ-50MHZ,而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個電子系統(tǒng)一定的份量（比如說1/3）,就稱為高速電路；也有人認(rèn)為高速電路和頻率并沒有什么大的聯(lián)系，是否高速電路只取決于它們的上升時間；還有人認(rèn)為高速電路就是我們早些年沒有接觸過，或者說能產(chǎn)生并且考慮到趨膚效應(yīng)的電路；更多的人則對高速進(jìn)行了量化的定義，即當(dāng)電路中的數(shù)字信號在傳輸線上的延遲大于1/2上升時間時，就叫做高速電路，本文也沿用這個定義作為考慮高速問題的標(biāo)準(zhǔn)。止匕外，還有一個容易產(chǎn)生混淆的是高頻電路”的概念，高頻”和高速”有什么區(qū)別呢？對于

22、高頻，很多人的理解就是較高的信號頻率，雖然不能說這種看法有誤，但對于高速電子設(shè)計工程師來說，理解應(yīng)當(dāng)更為深刻，我們除了關(guān)心信號的固有頻率，還應(yīng)當(dāng)考慮信號發(fā)射時同時伴隨產(chǎn)生的高階諧波的影響，一般我們使用下面這個公式來做定義信號的發(fā)射帶寬，有時也稱為EMI發(fā)射帶寬：F=1/（Tr*九）F是頻率（GHz）;Tr（納秒）指信號的上升時間或下降時間。通常當(dāng)F>100MHz的時候，就可以稱為高頻電路。所以，在數(shù)字電路中，是否是高頻電路，并不在于信號頻率的高低，而主要是取決于上升沿和下降沿。根據(jù)這個公式可以推算，當(dāng)上升時間小于3.185ns左右的時候，我們認(rèn)為是高頻電路。對于大多數(shù)電子電路硬件設(shè)計工程

23、師來說，完全沒有必要拘泥于概念的差異，心中應(yīng)該有個廣義的高速”定義，那就是：如果在確保正確的電氣連接的前提下，電路仍不能穩(wěn)定的高性能工作，而需要進(jìn)行特殊的布局，布線，匹配，屏蔽等處理，那么，這就是高速”設(shè)計。1.2 高速帶來的問題及設(shè)計流程剖析雖然不少人對高速可能有了一點概念性的認(rèn)識，但往往難以想象在所謂的高速”情況下，會真正給實際的電路系統(tǒng)帶來什么樣的后果，這里我舉幾個實際的案例來剖析一下高速給PCB設(shè)計帶來的一系列問題。A.某公司早期開發(fā)的一個產(chǎn)品，一直工作良好，可是最近生產(chǎn)出來的一批卻總是毛病不斷，受到許多客戶的抱怨?？墒歉緵]有對設(shè)計進(jìn)行任何變動，連使用的芯片也是同一型號的，原因是什么

24、呢？B.某個PCB工程師Layout經(jīng)驗非常豐富，設(shè)計的產(chǎn)品很少出過問題，但最近設(shè)計了一塊PCB板，卻發(fā)現(xiàn)了EMC檢測不合格的問題，改變布線也毫無效果，但以前類似的板子卻沒有這樣的問題。C.一個專業(yè)的內(nèi)存模塊設(shè)計工程師，從EDO內(nèi)存到SDRAM的PC66,PC100,設(shè)計過很多項目，很少出現(xiàn)問題，可是自從內(nèi)存時鐘頻率上到133MHz以上時，幾乎很少有設(shè)計能一次性通過的。簡單分析一下上面的幾個案例，A的情況是由于芯片的工藝改進(jìn)造成的，雖然所使用的芯片基本電路功能一樣，但隨著的IC制造工藝水平的提高，信號的上升沿變快了，于是出現(xiàn)了反射、用擾等信號不完整的問題，從而導(dǎo)致突然失效；B例子中，通過細(xì)致地

25、檢測，最終發(fā)現(xiàn)是PCB板上有兩個并排平行放置的電感元件，所以產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的EMI;C中的內(nèi)存設(shè)計師則是因為忽視了嚴(yán)格的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)要求，在頻率提高、時序要求更嚴(yán)格的情況下，非單調(diào)性和時鐘偏移等問題造成了設(shè)計的內(nèi)存模塊無法啟動。除了以上提到的三個實例，還有很多其他的問題，比如因為電容設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致電源電壓不穩(wěn)而無法工作，數(shù)模接地不正確產(chǎn)生的干擾太嚴(yán)重使得系統(tǒng)不穩(wěn)定等等。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，類似于以上的各種問題層出不窮，而且可以預(yù)見，今后還會出現(xiàn)更多的這樣或那樣的問題。所以，了解信號完整性理論，進(jìn)而指導(dǎo)和驗證高速PCB的設(shè)計是一件刻不容緩的事情。傳統(tǒng)的PCB設(shè)計一般經(jīng)過原理圖設(shè)計、布局、布線、優(yōu)化

26、等四個主要步驟，由于缺乏高速分析和仿真指導(dǎo)，信號的質(zhì)量無法得到保證，而且大部分問題必須等到制板測試后才能發(fā)現(xiàn)，這大大降低了設(shè)計的效率，提高了成本，顯然在激烈的市場競爭下，這種設(shè)計方法是很不利的。于是，針對高速PCB設(shè)計，業(yè)界提出了一種新的設(shè)計思路，稱為自上而下”的設(shè)計方法，這是一種建立在實時仿真基礎(chǔ)上優(yōu)化的高效設(shè)計流程，見圖1-1-1:圖1-1-1高速PCB設(shè)計流程從上面的流程圖可以看到，高速的PCB設(shè)計在完成之前，經(jīng)過多方面的仿真、分析和優(yōu)化，避免了絕大部分可能產(chǎn)生的問題，如果依托強(qiáng)大的EDA仿真工具,基本上能實現(xiàn)設(shè)計即正確”目的。在整個高速設(shè)計過程中，信號完整性工程師必須貫穿于設(shè)計的始終，

27、Cadence公司的首席顧問DonaldTelian曾給信號完整性工程師歸納了七點作用：研究和定義(pioneeringanddefining)分類和總結(jié)(Partitioning和Approximating)建模和測量(ModelingandMeasuring)設(shè)計和優(yōu)化(Designingandoptimizing)量化和驗證(Quantifyingandverifying)減少和簡化(Reducingandsimplifying)聯(lián)系和調(diào)試(CorrelatingandDebugging)對于以上這七大作用的詳細(xì)闡述，可以參見1997highperformancesystemDesign

28、Conference上DonaldTelian的原稿。1.3相關(guān)的一些基本概念在具體討論信號完整性理論知識之前，這節(jié)中我們將對高速設(shè)計中經(jīng)常提到的一些基本名詞做些簡單地整理和介紹，給初步接觸高速的設(shè)計人員提供一個概念性的認(rèn)識。信號完整性(SignalIntegrity):就是指電路系統(tǒng)中信號的質(zhì)量，如果在要求的時間內(nèi)，信號能不失真地從源端傳送到接收端，我們就稱該信號是完整的。傳輸線(TransmissionLine):由兩個具有一定長度的導(dǎo)體組成回路的連接線，我們稱之為傳輸線，有時也被稱為延遲線。集總電路(Lumpedcircuit):在一般的電路分析中，電路的所有參數(shù)，如阻抗、容抗、感抗都集

29、中于空間的各個點上，各個元件上，各點之間的信號是瞬間傳遞的，這種理想化的電路模型稱為集總電路。分布式系統(tǒng)(DistributedSystem):實際的電路情況是各種參數(shù)分布于電路所在空間的各處，當(dāng)這種分散性造成的信號延遲時間與信號本身的變化時間相比己不能忽略的時侯，整個信號通道是帶有電阻、電容、電感的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這就是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。上升/下降時間(Rise/FallTime):信號從低電平跳變?yōu)楦唠娖剿枰臅r問，通常是量度上升/下降沿在10%-90%電壓幅值之間的持續(xù)時間，記為Trc截止頻率(KneeFrequency):這是表征數(shù)字電路中集中了大部分能量的頻率范圍(0.5/Tr),

30、記為Fknee.一般認(rèn)為超過這個頻率的能量對數(shù)字信號的傳輸沒有任何影響。特征阻抗(CharacteristicImpedance):交流信號在傳輸線上傳播中的每一步遇到不變的瞬間阻抗就被稱為特征阻抗，也稱為浪涌阻抗，記為Zo?？梢酝ㄟ^傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(V/I)來表示。傳輸延遲(Propagationdelay):指信號在傳輸線上的傳播延時，與線長和信號傳播速度有關(guān)，記為tpd微帶線(Micro-Strip):指只有一邊存在參考平面的傳輸線。帶狀線(Strip-Line):指兩邊都有參考平面的傳輸線。趨膚效應(yīng)(Skineffect):指當(dāng)信號頻率提高時，流動電荷會漸漸向傳輸線的

31、邊緣靠近，甚至中間將沒有電流通過。與此類似的還有集束效應(yīng)，現(xiàn)象是電流密集區(qū)域集中在導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。反射(Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信號能量的不完全吸收，發(fā)射的程度可以有反射系數(shù)p表示。過沖/下沖(Overshoot/undershoot):過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設(shè)定電壓一一對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓；對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓，而下沖就是指第二個谷值或峰值0振蕩：在一個時鐘周期中，反復(fù)的出現(xiàn)過沖和下沖，我們就稱之為振蕩。振蕩根據(jù)表現(xiàn)形式可分為振鈴(Ringing)和環(huán)繞振蕩，振鈴為欠阻尼振蕩，而環(huán)繞振蕩為過阻尼振蕩。匹配(Ternlina

32、tion):指為了消除反射而通過添加電阻或電容器件來達(dá)到阻抗一致的效果。因為通常采用在源端或終端，所以也稱為端接。用擾：申擾是指當(dāng)信號在傳輸線上傳播時，因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾，這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的。信號回流(Returncurrent):指伴隨信號傳播的返回電流。自屏蔽(Selfshielding):信號在傳輸線上傳播時，靠大電容耦合抑制電場，靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。前向申擾(ForwardCrosstalk):指干擾源對犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾，也稱為遠(yuǎn)端干擾(Far-endcrosstalk)。后向串?dāng)_(Fo

33、rwardCrosstalk):指干擾源對犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾，也稱為近端干擾(Near-endcrosstalk)。屏蔽效率(SE):是對屏蔽的適用性進(jìn)行評估的一個參數(shù)，單位為分貝。吸收損耗：吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩的時候能量損耗的數(shù)量。反射損耗：反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導(dǎo)致的能量損耗的數(shù)量，他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化。校正因子：表示屏蔽效率下降的情況的參數(shù)，由于屏蔽物吸收效率不高，其內(nèi)部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個負(fù)數(shù)，而且只使用于薄屏蔽罩中存在多個反射的情況分析。差模EMI:傳輸線上電流從驅(qū)動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產(chǎn)生的EMI,就叫做差模EMI。共模EMI:當(dāng)兩條或者多條傳輸線以相同的相位和方向從驅(qū)動端輸出到接收端的時候，就會產(chǎn)生共模輻射，既共