高速PCB设计的基本概念

中信华

　　高速pcb设计的基本概念

, r, {' v+ }7 Y　　1，电子系统设计所面临的挑战

* i9 M: B2 _2 [" d6 l' J　　在电子系统中，需要各种长度的布线。在这些布线上，信号从线的始端(如信号源)传输到终端(如负载)需要一定的时间。已经证实，电信号在分布良好的导线中的传输速度为3×108ms。假设布线的长度为5m，信号从始端到终端就需要17ns，也就是说，信号存在17ns的延时。这种延时在低速系统中可以被忽略，但在高速系统中，这个数量级的延时是不能被忽略的。高速门电路(如74TL系列数字集成电路)的平均延时只有几纳秒，ECL数字集成电路的延时可达1~2ns，CPLD/FPGA的延时则更小。可见，在这些高速电路系统中，PCB的线上延时是不能被忽略的。高速PCB设计还需考虑其他的问题，例如，当信号在导线上髙速传输时，如果始端阻抗与终端阻抗不匹配，将会出现电磁波的反射现象，它会使信号失真，产生有害的千扰脉冲，从而影响整个系统运行。因此，在设计高速PCB时信号延时的问题必须认真考虑，电路分析需要引入EMVemc分析在这种情况下，经典的集成电路理论已不再适用，在电路仿真设计程序中应使用分布电路模型。
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' |) ^0 b6 T+ n& h! U7 a　　目前，一些PCB设计人员总是根据“感觉”来进行PCB的设计而不是使用适当的方法和规则。而高速的模拟和或数字电路的设计，几乎不可能凭“感觉”设计出可靠的电路，因为仅凭“感觉”进行设计可能导致的结果是：
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8 p& e% `4 c  k( l　　1.不可预期的系统行为
　　2.模拟系统传输路径上产生不可接受的噪声
　　3.系统的稳定性和可靠性会因为温度的变化产生很大的差别
　　4.在同一PCB上连接的元器件上产生虚假的位错误。
　　5.大量的电源和地噪声。
　　6.过冲、下冲及短时信号干扰等。
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; V1 c) R5 ]( W　　2，高速电路的定义
6 N$ r1 c7 }  `　　通常，数字逻辑电路的频率达到或超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路占整个系统的1/3以上，就可以称其为高速电路实际上，与信号本身的频率相比，信号边沿的谐波频率更高，信号快速变化的跳变(上升沿或下降沿)引发了信号传输的非预期结果。如果线传播延时大于数字信号驱动端上升时间的1/2，则可认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发生在信号状态改变的瞬间，如上升或下降时间。信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间，如果传输时间小于上升或下降时间的1/2，那么在信号改变状态前，来自接收端的反射信号将到达驱动端。否则，反射信号将在信号改变状态后到达驱动端。如果反射信号很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。

4 U. d. [" I, u4 P, C7 B　　3，高速信号的确定
/ g4 C/ b. W* ]6 i. x( ]6 F8 T* q　　通常，通过元器件手册可以查出信号上升时间的典型值。而在PCB设计中，实际布线长度决定了信号的传播时间。如果过孔多、元器件引脚多，或者网络上设置的约束多，将导致延时增大。一般情况下，高速逻辑器件的信号上升时间约为0.2ns
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7 ~5 k: R1 L  E　　以T表示信号上升时间，Tpd表示信号线传播延时，若Tr>4Tpd，信号落在安全区域；若2Tpd<Tr≤4Tpd，信号将落在不确定区域；若T≤2Tpd，信号将落在冋题区域。当信号落在不确定区域或问题区域时，应该使用高速布线方法进行PCB设计。