在高速設(shè)計(jì)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(jì)算和測量方法。在高速設(shè)計(jì)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(gè)具有一定長度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來接收信號(hào)(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)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(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)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(guān)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(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，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(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)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(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)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(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)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(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，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(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時(shí)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(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過程。

PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)細(xì)致的工作，需要的就是細(xì)心和耐心。剛開始做設(shè)計(jì)的新手經(jīng)常犯的錯(cuò)誤就是一些細(xì)節(jié)錯(cuò)誤。器件管腳弄錯(cuò)了，器件封裝用錯(cuò)了，管腳順序畫反了等等，有些可以通過飛線來解決，有些可能就讓一塊板子直接變成了廢品。畫封裝的時(shí)候多檢查一遍，投板之前把封裝打印出來和實(shí)際器件比一下，多看一眼，多檢查一遍不是強(qiáng)迫癥，只是讓這些容易犯的低級(jí)錯(cuò)誤盡量避免。否則設(shè)計(jì)的再好看的板子，上面布滿飛線，也就遠(yuǎn)談不上優(yōu)秀了。(二) 學(xué)會(huì)設(shè)置規(guī)則其實(shí)現(xiàn)在不光高級(jí)的PCB設(shè)計(jì)軟件需要設(shè)置布線規(guī)則，一些簡單易用的PCB工具同樣可以進(jìn)行規(guī)則設(shè)置。人腦畢竟不是機(jī)器，那就難免會(huì)有疏忽有失誤。所以把一些容易忽略的問題設(shè)置到規(guī)則里面，讓電腦幫助我們檢查，盡量避免犯一些低級(jí)錯(cuò)誤。另外，完善的規(guī)則設(shè)置能更好的規(guī)范后面的工作。所謂磨刀不誤砍柴工，板子的規(guī)模越復(fù)雜規(guī)則設(shè)置的重要性越突出。現(xiàn)在很多EDA工具都有自動(dòng)布線功能，如果規(guī)則設(shè)置足夠詳細(xì)，讓工具自己幫你去設(shè)計(jì)，你在一旁喝杯咖啡，不是更愜意的事情嗎?(三) 為別人考慮的越多，自己的工作越少在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，盡量多考慮一些最終使用者的需求。比如，如果設(shè)計(jì)的是一塊開發(fā)板，那么在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮放置更多的絲印信息，這樣在使用的時(shí)候會(huì)更方便，不用來回的查找原理圖或者找設(shè)計(jì)人員支持了。如果設(shè)計(jì)的是一個(gè)量產(chǎn)產(chǎn)品，那么就要更多的考慮到生產(chǎn)線上會(huì)遇到的問題，同類型的器件盡量方向一致，器件間距是否合適，板子的工藝邊寬度等等。這些問題考慮的越早，越不會(huì)影響后面的設(shè)計(jì)，也可以減少后面支持的工作量和改板的次數(shù)。看上去開始設(shè)計(jì)上用的時(shí)間增加了，實(shí)際上是減少了自己后續(xù)的工作量。在板子空間信號(hào)允許的情況下，盡量放置更多的測試點(diǎn)，提高板子的可測性，這樣在后續(xù)調(diào)試階段同樣能節(jié)省更多的時(shí)間，給發(fā)現(xiàn)問題提供更多的思路。

(一) 細(xì)節(jié)決定成敗PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)細(xì)致的工作，需要的就是細(xì)心和耐心。剛開始做設(shè)計(jì)的新手經(jīng)常犯的錯(cuò)誤就是一些細(xì)節(jié)錯(cuò)誤。器件管腳弄錯(cuò)了，器件封裝用錯(cuò)了，管腳順序畫反了等等，有些可以通過飛線來解決，有些可能就讓一塊板子直接變成了廢品。畫封裝的時(shí)候多檢查一遍，投板之前把封裝打印出來和實(shí)際器件比一下，多看一眼，多檢查一遍不是強(qiáng)迫癥，只是讓這些容易犯的低級(jí)錯(cuò)誤盡量避免。否則設(shè)計(jì)的再好看的板子，上面布滿飛線，也就遠(yuǎn)談不上優(yōu)秀了。(二) 學(xué)會(huì)設(shè)置規(guī)則其實(shí)現(xiàn)在不光高級(jí)的PCB設(shè)計(jì)軟件需要設(shè)置布線規(guī)則，一些簡單易用的PCB工具同樣可以進(jìn)行規(guī)則設(shè)置。人腦畢竟不是機(jī)器，那就難免會(huì)有疏忽有失誤。所以把一些容易忽略的問題設(shè)置到規(guī)則里面，讓電腦幫助我們檢查，盡量避免犯一些低級(jí)錯(cuò)誤。另外，完善的規(guī)則設(shè)置能更好的規(guī)范后面的工作。所謂磨刀不誤砍柴工，板子的規(guī)模越復(fù)雜規(guī)則設(shè)置的重要性越突出?，F(xiàn)在很多EDA工具都有自動(dòng)布線功能，如果規(guī)則設(shè)置足夠詳細(xì)，讓工具自己幫你去設(shè)計(jì)，你在一旁喝杯咖啡，不是更愜意的事情嗎?(三) 為別人考慮的越多，自己的工作越少在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，盡量多考慮一些最終使用者的需求。比如，如果設(shè)計(jì)的是一塊開發(fā)板，那么在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮放置更多的絲印信息，這樣在使用的時(shí)候會(huì)更方便，不用來回的查找原理圖或者找設(shè)計(jì)人員支持了。如果設(shè)計(jì)的是一個(gè)量產(chǎn)產(chǎn)品，那么就要更多的考慮到生產(chǎn)線上會(huì)遇到的問題，同類型的器件盡量方向一致，器件間距是否合適，板子的工藝邊寬度等等。這些問題考慮的越早，越不會(huì)影響后面的設(shè)計(jì)，也可以減少后面支持的工作量和改板的次數(shù)?？瓷先ラ_始設(shè)計(jì)上用的時(shí)間增加了，實(shí)際上是減少了自己后續(xù)的工作量。在板子空間信號(hào)允許的情況下，盡量放置更多的測試點(diǎn)，提高板子的可測性，這樣在后續(xù)調(diào)試階段同樣能節(jié)省更多的時(shí)間，給發(fā)現(xiàn)問題提供更多的思路。(四) 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(shí)，在后續(xù)電路調(diào)試過程中原理圖的作用會(huì)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(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時(shí)候要注意到的問題標(biāo)注在原理圖上，對(duì)自己或者對(duì)別人都是一個(gè)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(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計(jì)總是要比設(shè)計(jì)新電路的風(fēng)險(xiǎn)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。

一個(gè)高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個(gè)人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的多年經(jīng)驗(yàn)，所總結(jié)出來的層疊設(shè)計(jì)參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計(jì)基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對(duì)本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報(bào)告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號(hào)線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號(hào)層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號(hào)層的相對(duì)排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號(hào)層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;

臺(tái)灣FPC柔性版隨著集成電路輸出開關(guān)速度提高以及PCB板密度增加，信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問題之一。廠家FPC柔性版元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等因素，都會(huì)引起信號(hào)完整性問題，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不工作。如何在PCB板的設(shè)計(jì)過程中充分考慮到信號(hào)完整性的因素，并采取有效的控制措施，已經(jīng)成為當(dāng)今PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中的一個(gè)熱門課題。基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法能有效地實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。1. 信號(hào)完整性問題概述信號(hào)完整性(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)IC，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)完整性問題。從廣義上講，信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMI)。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)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。另外，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)的過沖和下沖。信號(hào)如果在傳輸線上來回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。