通訊與計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得高速PCB設(shè)計進(jìn)入了千兆位領(lǐng)域，新的高速器件應(yīng)用使得如此高的速率在背板和單板上的長距離傳輸成為可能，但與此同時，PCB設(shè)計中的信號完整性問題(SI)、電源完整性以及電磁兼容方面的問題也更加突出。信號完整性是指信號在信號線上傳輸?shù)馁|(zhì)量，主要問題包括反射、振蕩、時序、地彈和串?dāng)_等。信號完整性差不是由某個單一因素導(dǎo)致，而是板級設(shè)計中多種因素共同引起。在千兆位設(shè)備的PCB板設(shè)計中，一個好的信號完整性設(shè)計要求工程師全面考慮器件、傳輸線互聯(lián)方案、電源分配以及EMC方面的問題。高速PCB設(shè)計EDA工具已經(jīng)從單純的仿真驗證發(fā)展到設(shè)計和驗證相結(jié)合，幫助設(shè)計者在設(shè)計早期設(shè)定規(guī)則以避免錯誤而不是在設(shè)計后期發(fā)現(xiàn)問題。隨著數(shù)據(jù)速率越來越高設(shè)計越來越復(fù)雜，高速PCB系統(tǒng)分析工具變得更加必要，這些工具包括時序分析、信號完整性分析、設(shè)計空間參數(shù)掃描分析、EMC設(shè)計、電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等。這里我們將著重討論在千兆位設(shè)備PCB設(shè)計中信號完整性分析應(yīng)考慮的一些問題。高速器件與器件模型盡管千兆位發(fā)送與接收元器件供應(yīng)商會提供有關(guān)芯片的設(shè)計資料，但是器件供應(yīng)商對于新器件信號完整性的了解也存在一個過程，這樣器件供應(yīng)商給出的設(shè)計指南可能并不成熟，還有就是器件供應(yīng)商給出的設(shè)計約束條件通常都是非常苛刻的，對設(shè)計工程師來說要滿足所有的設(shè)計規(guī)則會非常困難。所以就需要信號完整性工程師運用仿真分析工具對供應(yīng)商的約束規(guī)則和實際設(shè)計進(jìn)行分析，考察和優(yōu)化元器件選擇、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、匹配方案、匹配元器件的值，并最終開發(fā)出確保信號完整性的PCB布局布線規(guī)則。因此，千兆位信號的精確仿真分析變得十分重要，而器件模型在信號完整性分析工作中的作用也越來越得到重視。

開發(fā)PCB電路板1.布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，PCB電路板生產(chǎn)商則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。(2)某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。(3)應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能單元.對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：(1)按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。(2)以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產(chǎn)。(4)位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。

(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(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時候要注意到的問題標(biāo)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(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計總是要比設(shè)計新電路的風(fēng)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(jìn)行電路布局心急的工程師畫完原理圖，把網(wǎng)表導(dǎo)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(yīng)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(shè)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。

如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，阻抗變化必須小于10%。這有時很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時間和驅(qū)動端到反射點處信號的時延有關(guān)。但至少這是一個潛在的問題點。幸運的是這時可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個端點處都會發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號為1V，第Y次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號，有多大影響，和阻抗變化處的時延以及信號上升時間有關(guān)。研究及實驗表明，只要阻抗變化處的時延小于信號上升時間的20%，反射信號就不會造成問題。如果信號上升時間為1ns，那么阻抗變化處的時延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。

在基于信號完整性計算機分析的PCB設(shè)計方法中，最為核心的部分就是PCB板級信號完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計方法的可行性。目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點是建模和使用簡單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級模型是一個選擇。缺點是精度較差，一致性不能保證，受測試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE 模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點是模型復(fù)雜，計算時間長。一般驅(qū)動器和接收器的模型由器件廠商提供，傳輸線的模型通常從場分析器中提取，封裝和連接器的模型即可以由場分析器提取，又可以由制造廠商提供。在電子設(shè)計中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級信號完整性分析的模型，其中最為常用的有三種，分別是SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。

PCB布局規(guī)則1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊;元件排列要緊湊，元件在整個版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時，應(yīng)考慮電路板所能承受的機械強度。PCB設(shè)計設(shè)置技巧PCB設(shè)計在不同階段需要進(jìn)行不同的各點設(shè)置，在布局階段可以采用大格點進(jìn)行器件布局;對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點進(jìn)行布局。大格點的精度有利于器件的對齊和布局的美觀。PCB設(shè)計布局技巧在PCB的布局設(shè)計中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。2、以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產(chǎn)。