在高速設計中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國工程師。本文通過簡單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計算和測量方法。在高速設計中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個具有一定長度的導體組成，一個導體用來發(fā)送信號，另一個用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關鍵是使它的特性阻抗在整個線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動時，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個電壓波信號沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當然，這個信號確實是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點和回路的相臨點來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個0.01納秒前進了0.06英寸，這時發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導體之間的1伏電壓差，而這兩個導體又組成了一個電容器。在下一個0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線路的另外一段進行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當沿著這條線移動時，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負電流實際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結(jié)束整個循環(huán)過程。

(一) 畫好原理圖很多工程師都覺得layout工作更重要一些，原理圖就是為了生成網(wǎng)表方便PCB做檢查用的。其實，在后續(xù)電路調(diào)試過程中原理圖的作用會更大一些。無論是查找問題還是和同事交流，還是原理圖更直觀更方便。另外養(yǎng)成在原理圖中做標注的習慣，把各部分電路在layout的時候要注意到的問題標注在原理圖上，對自己或者對別人都是一個很好的提醒。層次化原理圖，把不同功能不同模塊的電路分成不同的頁，這樣無論是讀圖還是以后重復使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設計總是要比設計新電路的風險小。每次看到把所有電路都放在一張圖紙上，一片密密麻麻的器件，腦袋就能大一圈。(二) 好好進行電路布局心急的工程師畫完原理圖，把網(wǎng)表導入PCB后就迫不及待的把器件放好，開始拉線。其實一個好的PCB布局能讓你后面的拉線工作變得簡單，讓你的PCB工作的更好。每一塊板子都會有一個信號路徑，PCB布局也應該盡量遵循這個信號路徑，讓信號在板子上可以順暢的傳輸，人們都不喜歡走迷宮，信號也一樣。如果原理圖是按照模塊設計的，PCB也一樣可以。按照不同的功能模塊可以把板子劃分為若干區(qū)域。模擬數(shù)字分開，電源信號分開，發(fā)熱器件和易感器件分開，體積較大的器件不要太靠近板邊，注意射頻信號的屏蔽等等……多花一分的時間去優(yōu)化PCB的布局，就能在拉線的時候節(jié)省更多的時間。

北京貼片SMT隨著集成電路輸出開關速度提高以及PCB板密度增加，信號完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設計必須關心的問題之一。專業(yè)貼片SMT元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號的布線等因素，都會引起信號完整性問題，導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不工作。如何在PCB板的設計過程中充分考慮到信號完整性的因素，并采取有效的控制措施，已經(jīng)成為當今PCB設計業(yè)界中的一個熱門課題?；谛盘柾暾杂嬎銠C分析的高速數(shù)字PCB板設計方法能有效地實現(xiàn)PCB設計的信號完整性。1. 信號完整性問題概述信號完整性(SI)是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應的能力。如果電路中信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應時，就出現(xiàn)了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現(xiàn)為5個方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMI)。延遲是指信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出到達接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時序產(chǎn)生影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。另外，當PCB板上導線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，信號到達接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號的過沖和下沖。信號如果在傳輸線上來回反射，就會產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來看，芯片體積越來越小、引腳數(shù)越來越多;同時，由于近年來IC工藝的發(fā)展，使得其速度也越來越高。這就帶來了一個問題，即電子設計的體積減小導致電路的布局布線密度變大，而同時信號的頻率還在提高，從而使得如何處理高速信號問題成為一個設計能否成功的關鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復雜度和時鐘頻率的迅速提高，信號邊沿不斷變陡，印刷電路板的線跡互連和板層特性對系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對于低頻設計，線跡互連和板層的影響可以不考慮，但當頻率超過50 MHz時，互連關系必須考慮，而在*定系統(tǒng)性能時還必須考慮印刷電路板板材的電參數(shù)。因此，高速系統(tǒng)的設計必須面對互連延遲引起的時序問題以及串擾、傳輸線效應等信號完整性(Signal Integrity，SI)問題。當硬件工作頻率增高后，每一根布線網(wǎng)絡上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線，對其他電子設備產(chǎn)生電磁輻射或與其他設備相互干擾，從而使硬件時序邏輯產(chǎn)生混亂。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)的標準提出了解決硬件實際布線網(wǎng)絡可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾以及本身抵抗外部電磁干擾的基本要求。1 高速數(shù)字電路設計的幾個基本概念在高速數(shù)字電路中，由于串擾、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號完整性問題，本來在低速電路中無需考慮的因素在這里就顯得格外重要;另外，隨著現(xiàn)有電氣系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)越來越復雜，電磁兼容性也變成了一個不能不考慮的問題。要解決高速電路設計的問題，首先需要真正明白高速信號的概念。高速不是就頻率的高低來說的，而是由信號的邊沿速度決定的，一般認為上升時間小于4倍信號傳輸延遲時可視為高速信號。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中，也會出現(xiàn)信號完整性的問題。這是由于隨著集成電路工藝的提高，所用器件I/O端口的信號邊沿比以前更陡更快，因此在工作時鐘不高的情況下也屬于高速器件，隨之帶來了信號完整性的種種問題。

1. 從原理圖到PCB的設計流程建立元件參數(shù)——>輸入原理網(wǎng)表->設計參數(shù)設置->手工布局->手工布線->驗證設計——>復查->CAM輸出。2. 參數(shù)設置相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當?shù)丶哟?，對高、低電平懸殊的信號線應盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設為8mil。焊盤內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。3. 元器件布局實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲;由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，因此，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法。每一個開關電源都有四個電流回路：◆ 電源開關交流回路◆ 輸出整流交流回路◆ 輸入信號源電流回路◆ 輸出負載電流回路輸入回路通過一個近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個寬帶儲能作用;類似地，輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線端連接到電源;如果在輸入/輸出回路和電源開關/整流回路之間的連接無法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容并輻射到環(huán)境中去。電源開關交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠大于開關基頻，峰值幅度可高達持續(xù)輸入/輸出直流電流幅度的5倍，過渡時間通常約為50ns。這兩個回路最容易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路，每個回路的三種主要的元件濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。