隨著微電子技術(shù)和IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,速度已成為許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的因素。從幾百兆赫到幾千兆赫的處理器已經(jīng)非常普及,將來(lái)會(huì)有更高速度的器件出現(xiàn),以滿足人們對(duì)諸如圖形、音頻、視頻等大量數(shù)據(jù)處理的需求。
    對(duì)于高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì),無(wú)論是數(shù)字電路還是模擬電路,不僅需要高速的器件,更需要設(shè)計(jì)人員的智慧和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方案。在高速系統(tǒng)中,噪聲的產(chǎn)生是一個(gè)最值得關(guān)注的焦點(diǎn)。高頻信號(hào)會(huì)由于輻射而產(chǎn)生干擾,高速變化的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致振鈴、反射以及串?dāng)_等,如果不加抑制,這些噪聲會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能。
    本文將從電源分配系統(tǒng)及其影響、傳輸線及其相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、串?dāng)_及其消除、電磁干擾四個(gè)方面討論高速PCB板的設(shè)計(jì)技術(shù)。?

1電源分配
    高速系統(tǒng)板設(shè)計(jì)中要考慮的首要問題就是電源分配網(wǎng)絡(luò)。電源分配網(wǎng)絡(luò)必須為低噪聲電路板上的各部分電路提供一個(gè)低噪聲的電源,包括VCC和地。同時(shí),電源分配網(wǎng)絡(luò)還要為電路板上所有接收的信號(hào)提供一個(gè)信號(hào)回路。
1.1 電源分配方式及阻抗
    對(duì)于一個(gè)理想電壓源,其阻抗為零,這個(gè)零阻抗保證了負(fù)載端的電壓與電源端的電壓相等。因?yàn)樵肼曉吹脑醋杩瓜鄬?duì)于電壓源的零阻抗為無(wú)窮大,所有的噪聲被吸收。但是,對(duì)于一個(gè)實(shí)際電源,它具有一定的阻抗,且阻抗分布于整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)中,從而使噪聲疊加在電源上。為此,電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是盡可能減小網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。目前,有總線式和電源層式兩種電源網(wǎng)絡(luò)分配形式。
    總線系統(tǒng)是由一組具有電路板所需的不同電壓級(jí)別的電源線組成,每種電壓級(jí)別所需的線路數(shù)目根據(jù)系統(tǒng)的不同而不同。電源層系統(tǒng)則是由多個(gè)涂滿金屬的層(或者層的部分)組成的,每個(gè)不同電壓級(jí)別需要一個(gè)單獨(dú)的層。
    在總線式的電源分配方案中,電源總線與信號(hào)線在同一層中,為了給所有的器件提供電源,并給信號(hào)線留出空間,電源線總是趨于長(zhǎng)且窄的帶狀。這就相當(dāng)于電源線上串了一個(gè)電阻,盡管這個(gè)電阻很小,但其影響卻很大。例如,在一個(gè)只有20個(gè)器件的小電路板上,若每個(gè)器件的吸收電流為200 mA,那么總電流將為4 A。此時(shí),若電源總線的電阻為0.125 Ω,也會(huì)產(chǎn)生0.5 V的壓降,從而使得電源總線末端的器件得到的電壓只有4.5 V。
    對(duì)于電源層式分配方案,由于電源是通過整個(gè)金屬層來(lái)分配,其電源阻抗很小,所以電源噪聲也比總線式小得多。
1.2線路噪聲的濾出
    僅靠電源層并不能消除電源的線路噪聲,由于不論采用何種電源分配方案,整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生足以導(dǎo)致發(fā)生問題的噪聲,所以,額外的濾波(通常利用去耦電容完成)措施是必需的。一般,應(yīng)在電路板的電源接入端放置一個(gè)1～10 μF的電容,濾除低頻噪聲;在電路板上每個(gè)器件的電源與地線之間放置一個(gè)0.01～0.1 μF的電容,濾除高頻噪聲。
    濾波的目的是濾除疊加在電源供應(yīng)中的交流成分,似乎電容越大越好,但實(shí)際并非如此,這是因?yàn)閷?shí)際電容并不具有理想電容的所有特性。實(shí)際電容存在寄生成分,這是構(gòu)造電容器極板和引線時(shí)所形成的,而這些寄生成份可等效為串聯(lián)在電容電路上的電阻與電感,通常稱之為等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。這樣,電容實(shí)際上就是一個(gè)串聯(lián)諧振電路,其諧振頻率為

頻率小于fR時(shí)呈現(xiàn)為電容,頻率大于fR時(shí)呈現(xiàn)為電感。所以,電容器更像是一個(gè)帶阻濾波器,而不是一個(gè)低通濾波器。
    電容的ESL和ESR是由電容的構(gòu)造和所用介質(zhì)材料決定的,與電容容量無(wú)關(guān)。對(duì)于高頻的抑制能力并不會(huì)因?yàn)楦鼡Q大容量的同類型電容而增強(qiáng)。更大容量的同類型電容器的阻抗在頻率低于fR時(shí),比小容量電容器的阻抗小。但是,當(dāng)頻率大于fR時(shí),ESL決定了二者的阻抗沒有差別?？梢?為了改進(jìn)高頻濾波特性,必須使用具有較低ESL的電容器。任何一種電容器的有效頻率范圍是有限的,而對(duì)于一個(gè)系統(tǒng),既有低頻噪聲,又有高頻噪聲,所以,通常要用不同類型的電容并聯(lián)來(lái)達(dá)到更寬的有效頻率范圍。
    去耦電容在板上的放置位置也很關(guān)鍵,它直接影響高頻濾波的有效性。一般的放置方法如圖1(a)所示,這樣做只是方便布線,并不能提供最有效的高頻濾波特性。為了得到更好的高頻特性,應(yīng)采用圖1(b)所示的放置方法,在該方法中最好使用貼片電容并放置在器件的另一面。

傳輸延遲時(shí)間同樣?也取決于L0和C0,單位為時(shí)間單位／單位長(zhǎng)度,且:

2.1 傳輸線的阻抗計(jì)算
    在PCB設(shè)計(jì)中,有帶狀線和微波線兩種傳輸線。帶狀線是指信號(hào)線夾在兩個(gè)電源層之間,理論上它能最好地傳輸信號(hào),因?yàn)樗鼉蛇叾加须娫磳拥钠帘?但它不利于信號(hào)線的測(cè)試。微波線的信號(hào)線在外層,地層在信號(hào)線的另一邊,這樣就易于測(cè)試。
    L0、C0、Z0和tPD0是由信號(hào)線的物理特性和電路板介質(zhì)特性決定的,對(duì)于帶狀線:?

對(duì)于微波線:??

其中,εR是電路板介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
    上述傳輸線阻抗的計(jì)算是針對(duì)在傳輸線末端接集總負(fù)載的情況,如果負(fù)載分布于傳輸線上時(shí),就改變了傳輸線的特征參數(shù)阻抗Z0和傳輸延遲時(shí)間tPD0。改變后的阻抗Z和傳輸延遲時(shí)間tPD可由Z0、tPD0和負(fù)載電容CL得出:?

2.2反射及其消除
    從信號(hào)源到負(fù)載的最大能量傳輸要求負(fù)載阻抗等于源阻抗,如果兩者不相等,那么信號(hào)的一部分能量被負(fù)載吸收,一部分被反射回信號(hào)源,信號(hào)源就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化去補(bǔ)償輸出。這樣,負(fù)載端的信號(hào)波就可以當(dāng)作反射波與信號(hào)源的輸出疊加。反射波取決于線阻抗與負(fù)載阻抗的失配情況及信號(hào)跳變時(shí)間tR與傳輸延遲時(shí)間tPD的比率。
    如果跳變時(shí)間遠(yuǎn)大于傳輸延遲時(shí)間,反射對(duì)信號(hào)只引起小小的擾動(dòng),在負(fù)載端表現(xiàn)為小小的過沖。如果傳輸延遲時(shí)間足夠大,當(dāng)反射信號(hào)返回信號(hào)源時(shí),信號(hào)源的輸出已經(jīng)改變了許多,這樣,信號(hào)源就得作出較大的變化去補(bǔ)償輸出,而負(fù)載端又反射變化后的信號(hào),從而產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。
    傳輸線上反射信號(hào)的大小取決于傳輸線阻抗Z0與負(fù)載阻抗ZL的差別。反射信號(hào)與原信號(hào)的比值,稱為反射系數(shù)KR,且

也就是說(shuō),負(fù)載開路或短路時(shí),信號(hào)全部反射回去。短路時(shí)反射回去的信號(hào)是反向的。
    對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),需要一種技術(shù)來(lái)消除反射,這種技術(shù)就是端接。端接方法有并聯(lián)端接和串聯(lián)端接兩種。前者是指在負(fù)載端并聯(lián)一個(gè)電阻使負(fù)載阻抗ZL減小到Z0,以消除第一次反射;后者是指在負(fù)載端串聯(lián)一個(gè)電阻使源阻抗ZS增加到Z0,以消除第二次反射。通常一個(gè)非常匹配的端接是不可能的,因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的高電平輸出阻抗和低電平輸出阻抗有差別,從而使得端接電阻的選擇很困難,不可能有一個(gè)對(duì)兩種情況都很理想的端接電阻,具體設(shè)計(jì)時(shí)必須折衷選擇。
2.3 傳輸線的布線規(guī)則
    合適的端接將保證信號(hào)的抗干擾性能,但是不適當(dāng)?shù)牟季€仍會(huì)導(dǎo)致較大的噪聲,因此,為了增強(qiáng)電路板的性能,具體布線時(shí)應(yīng)遵循:① 避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性。阻抗的不連續(xù)點(diǎn)就是傳輸線的突變點(diǎn),它將產(chǎn)生信號(hào)的反射。布線時(shí)不要使走線成直角;盡可能少用過孔;避免外層的信號(hào)通過內(nèi)層以及內(nèi)層的信號(hào)通過外層。② 避免采用樁線,因?yàn)闃毒€也是噪聲源,而應(yīng)改為兩條走線,并在兩條線的末端都作端接,如圖3所示。

3  串?dāng)_及其消除
    串?dāng)_是信號(hào)線之間不希望有的耦合,有容性串?dāng)_和感性串?dāng)_兩種。容性串?dāng)_就是信號(hào)線間的容性耦合,當(dāng)信號(hào)線在一定程度上靠得比較近時(shí)就會(huì)發(fā)生。感性串?dāng)_可以想象為信號(hào)在一個(gè)不希望有的寄生變壓器初次級(jí)之間的耦合,變壓器繞組就是電路板上信號(hào)的電流環(huán)路,這個(gè)環(huán)路可能是人為造成的,也可能是信號(hào)的自然回路形成的。感性串?dāng)_的大小取決于兩個(gè)環(huán)路的靠近程度和環(huán)路面積的大小以及所影響的負(fù)載的阻抗。
    對(duì)于串?dāng)_的消除可以采用以下措施:對(duì)串?dāng)_敏感的信號(hào)線進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私?增大信號(hào)線之間的距離以減小容性串?dāng)_;在相鄰信號(hào)線之間插入地線也可減小容性串?dāng)_,但這根地線需要每隔1／4λ(λ為信號(hào)線上信號(hào)的最高頻率的波長(zhǎng))加一個(gè)過孔接到地層;對(duì)于感性串?dāng)_,應(yīng)盡可能減小環(huán)路面積,若允許,就消除這個(gè)環(huán)路;避免信號(hào)共用回路。
4 電磁干擾(EMI)及其消除
    隨著電路速度的提高,EMI就會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重。減小EMI的途徑多種多樣,下面主要從電流環(huán)路的消除、濾波和器件的速度三個(gè)方面作一簡(jiǎn)要介紹。
    在所有的設(shè)計(jì)中,環(huán)路是不可避免的。環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)天線,因此最小化環(huán)路引起的EMI問題,就是要減少環(huán)路的數(shù)量和環(huán)路的天線效應(yīng),避免產(chǎn)生人為的環(huán)路并盡量減小環(huán)路的面積。確保信號(hào)在任意的兩點(diǎn)上只有唯一一條回路路徑,可以避免人為環(huán)路;盡可能利用電源地層,可以保證信號(hào)的自然回路與信號(hào)的環(huán)路面積最小,但在電源地層的使用中,應(yīng)注意信號(hào)回路不能被阻塞。
    濾波是減小電源線上EMI的常用方法,有時(shí)也可用于信號(hào)線上。但對(duì)信號(hào)線的濾波是僅當(dāng)其它方法無(wú)法消除信號(hào)噪聲時(shí)才采用的措施。濾波通常有去耦電容、EMI濾波器和磁性元件三種方法。去耦電容在前文中已作過敘述;EMI濾波器是商業(yè)性的器件,種類很多,應(yīng)用在不同頻率范圍的都有;磁性元件是由鐵磁材料構(gòu)成的,主要用于抑制高頻噪聲。
    在給定的頻率范圍內(nèi),器件產(chǎn)生的能量越少,輻射的噪聲就越小。對(duì)于高速器件,其跳變時(shí)間更短,這意味著它在高頻范圍內(nèi)有更多的能量,也就是說(shuō)會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,器件的選擇很重要。如果系統(tǒng)要求的速度很高,那么就必須用速度足夠高的器件,為此可能需要做出額外的努力以滿足EMI。但是如果更低速度的器件可以滿足系統(tǒng)的要求,那就沒有必要用更高速的器件。
5 結(jié)束語(yǔ)
    當(dāng)更高速度的技術(shù)在理論上為更高速度的系統(tǒng)提供的可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)時(shí),必須特別小心。本文從電源與地線的統(tǒng)一和穩(wěn)定、合理的布線與消除反射的適當(dāng)端接、串?dāng)_的消除、EMI要求的滿足等幾個(gè)方面詳細(xì)討論了高速印刷電路板的設(shè)計(jì)技術(shù),以供同行參考。