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(shí),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(gè)問題,即電子設(shè)計(jì)的體積減小導(dǎo)致電路的布局布線密度變大,而同時(shí)信號(hào)的頻率還在提高,從而使得如何處理高速信號(hào)問題成為一個(gè)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復(fù)雜度和時(shí)鐘頻率的迅速提高,信號(hào)邊沿不斷變陡,印刷電路板的線跡互連和板層特性對(duì)系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對(duì)于低頻設(shè)計(jì),線跡互連和板層的影響可以不考慮,但當(dāng)頻率超過50 MHz時(shí),互連關(guān)系必須考慮,而在*定系統(tǒng)性能時(shí)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(shè)計(jì)必須面對(duì)互連延遲引起的時(shí)序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號(hào)完整性(Signal Integrity,SI)問題。當(dāng)硬件工作頻率增高后,每一根布線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線,對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射或與其他設(shè)備相互干擾,從而使硬件時(shí)序邏輯產(chǎn)生混亂。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)的標(biāo)準(zhǔn)提出了解決硬件實(shí)際布線網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的幾個(gè)基本概念在高速數(shù)字電路中,由于串?dāng)_、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號(hào)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(fù)雜,電磁兼容性也變成了一個(gè)不能不考慮的問題。要解決高速電路設(shè)計(jì)的問題,首先需要真正明白高速信號(hào)的概念。高速不是就頻率的高低來說的,而是由信號(hào)的邊沿速度決定的,一般認(rèn)為上升時(shí)間小于4倍信號(hào)傳輸延遲時(shí)可視為高速信號(hào)。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中,也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)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(hào)邊沿比以前更陡更快,因此在工作時(shí)鐘不高的情況下也屬于高速器件,隨之帶來了信號(hào)完整性的種種問題。
高速數(shù)字PCB板的等線長是為了使各信號(hào)的延遲差保持在一個(gè)范圍內(nèi),保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性(延遲差超過一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)會(huì)錯(cuò)讀下一周期的數(shù)據(jù)),一般要求延遲差不超過1/4時(shí)鐘周期,單位長度的線延遲差也是固定的,延遲跟線寬,線長,銅厚,板層結(jié)構(gòu)有關(guān),但線過長會(huì)增大分布電容和分布電感,使信號(hào)質(zhì)量,所以時(shí)鐘IC引腳一般都接RC端接,但蛇形走線并非起電感的作用,相反的,電感會(huì)使信號(hào)中的上升元中的高次諧波相移,造成信號(hào)質(zhì)量惡化,所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍,信號(hào)的上升時(shí)間越小就越易受分布電容和分布電感的影響.因?yàn)閼?yīng)用場合不同具不同的作用,如果蛇形走線在電腦板中出現(xiàn),其主要起到一個(gè)濾波電感的作用,提高電路的抗干擾能力,電腦主機(jī)板中的蛇形走線,主要用在一些時(shí)鐘信號(hào)中,如CIClk,AGPClk,它的作用有兩點(diǎn):1、阻抗匹配 2、濾波電感。對(duì)一些重要信號(hào),如INTEL HUB架構(gòu)中的HUBLink,一共13根,跑233MHz,要求必須嚴(yán)格等長,以消除時(shí)滯造成的隱患,繞線是解決辦法。一般來講,蛇形走線的線距>=2倍的線寬。PCI板上的蛇行線就是為了適應(yīng)PCI 33MHzClock的線長要求。若在一般普通PCB板中,是一個(gè)分布參數(shù)的 LC濾波器,還可作為收音機(jī)天線的電感線圈,短而窄的蛇形走線可做保險(xiǎn)絲等等.
上海廠家PCB電路板相信對(duì)做硬件的工程師,畢業(yè)開始進(jìn)公司時(shí),在設(shè)計(jì)PCB時(shí),老工程師都會(huì)對(duì)他說,PCB走線不要走直角,廠家PCB電路板走線一定要短,電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做,就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦,當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題,今后又犯了,可能又會(huì)被他們罵,“都說了多少遍了電容一定要就近擺放,放遠(yuǎn)了起不到效果等等”,往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙,我們一開始不會(huì)也不用難過,多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料,為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢,等看了資料后就能了解一些,可是網(wǎng)上的資料很雜散,很少能找到一個(gè)很全方面講解的。下面這些內(nèi)容是我轉(zhuǎn)載的一篇關(guān)于電容去耦半徑的講解,相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。老師問: 為什么去耦電容就近擺放呢?學(xué)生答: 因?yàn)樗杏行О霃脚?,放的遠(yuǎn)了失效的。電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片,多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個(gè)擺放距離問題。確實(shí),減小電感是一個(gè)重要原因,但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及,那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn),超出了它的去耦半徑,電容將失去它的去耦的作用。理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí),會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng),電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓),就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間,因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣,電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。
1.系統(tǒng)布局是否保證布線的合理或者最優(yōu),是否能保證布線的可靠進(jìn)行,是否能保證電路工作的可靠性。在布局的時(shí)候需要對(duì)信號(hào)的走向以及電源和地線網(wǎng)絡(luò)有整體的了解和規(guī)劃。2.印制板尺寸是否與加工圖紙尺寸相符,能否符合PCB制造工藝要求、有無行為標(biāo)記。這一點(diǎn)需要特別注意,不少PCB板的電路布局和布線都設(shè)計(jì)得很漂亮、合理,但是疏忽了定位接插件的精確定位,導(dǎo)致設(shè)計(jì)的電路無法和其他電路對(duì)接。3.元件在二維、三維空間上有無沖突。注意器件的實(shí)際尺寸,特別是器件的高度。在焊接免布局的元器件,高度一般不能超過3mm。4.元件布局是否疏密有序、排列整齊,是否全部布完。在元器件布局的時(shí)候,不僅要考慮信號(hào)的走向和信號(hào)的類型、需要注意或者保護(hù)的地方,同時(shí)也要考慮器件布局的整體密度,做到疏密均勻。5.需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換,插件板插入設(shè)備是否方便。應(yīng)保證經(jīng)常更換的元器件的更換和接插的方便和可靠。6.調(diào)整可調(diào)元件是否方便。7.熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當(dāng)?shù)木嚯x。8.在需要散熱的地方是否裝有散熱器或者風(fēng)扇,空氣流是否通暢。應(yīng)注意元器件和電路板的散熱。9.信號(hào)走向是否順暢且互連最短。10.插頭、插座等與機(jī)械設(shè)計(jì)是否矛盾。11.線路的干擾問題是否有所考慮。12.電路板的機(jī)械強(qiáng)度和性能是否有所考慮。13.電路板布局的藝術(shù)性及其美觀性。
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(hào)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(shí)很難做到,以 FR4板材上微帶線的情況為例,我們計(jì)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(hào)的幅度必然超標(biāo)。至于對(duì)信號(hào)造成多大影響,還和信號(hào)上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)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(gè)端點(diǎn)處都會(huì)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(shí)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(hào)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(shí)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(hào),有多大影響,和阻抗變化處的時(shí)延以及信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明,只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間的20%,反射信號(hào)就不會(huì)造成問題。如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns,那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對(duì)應(yīng)1.2英寸,反射就不會(huì)產(chǎn)生問題。也就是說,對(duì)于本例情況,6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會(huì)有問題。
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。