高速PCB设计原理和技术V.ppt

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1、Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,1,史建华,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,2,交流内容：,基本概念 信号完整性分析及解决方法 电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术 PCB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,3,基本概念 信号完整性分析及解决方法

2、电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术 PCB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,交流内容：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,4,基本概念,串扰（crosstalk）电磁兼容（EMC）反射（Reflection）过冲（Overshoot）和下冲（Undershoot）时钟偏移（Clock Skew）和时钟抖动（Clock Jitter）建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）建立时间裕量（Setup Margin）和

3、保持时间裕量（Hold Margin）地电平面反弹噪声和回流噪声介电常数（r）传输速率,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,5,串扰（crosstalk）及后果：串扰是指两个不同的电性能网络之间的相互作用。产生串扰（crosstalk）的一方被称作Aggressor，而收到干扰的一方被称作Victim。通常，一个网络既是Aggressor（入侵者），又是Victim（受害者）。串扰会导致误触发。串扰产生的原因：串扰是由同一个PCB板上的两条信号线之间互容和互感的容性耦合和感性耦合引起线上的噪声。容性耦合引

4、发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。影响串扰的因素：PCB板层的参数（厚度，介电常数）等、信号线间距、线端接方式等。,高速PCB设计原理和技术,串扰只发生在Aggressor的上升或下降沿,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,6,高速PCB设计原理和技术,电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，它包括电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰（EMS）两个方面。电磁骚扰（Electromagnetic Disturbance）是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对生

5、命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰（EMI）是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降，是电磁骚扰作用的结果，分为辐射干扰（RE）、传导干扰（CE）、PT（干扰功率测试）。传导耦合有三种藕合通路，分别为公共电源、公共地回路、信号线之间的近场感应；辐射耦合是通过空间电磁场进行的电磁耦合。电磁抗干扰（EMS）包括ESD(静电放电）、RS（辐射耐受）、EFT/B(快速脉冲耐受)、Surge（雷击）和CS（传导耐受）。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,7,高速PCB设计原理和技术,反射（Reflection）及后果

6、 反射就是在传输线上的回波（Echo）。信号功率（电压和电流）传输到线上并达到负载处，但是有一部分可能会被反射。反射会产生振铃现象反射产生的条件：如果负载和传输线具有不相同的阻抗（Impedance），反射就会发生。如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正；如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负。影响反射的因素：布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输、电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,8,高速PCB设计原理和技术,过冲（Overshoot）：过冲是指超过设定电压的第一个峰值或谷

7、值。对于上升沿（Ring Edge）而言，过冲是指最高电压；对于下降沿（fall Edge）而言，过冲是指最低电压。下冲（Undershoot）：下冲是指下一个谷值或峰值。,过冲和下冲的后果：过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致其过早地失效；过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,9,高速PCB设计原理和技术,时钟偏移（Clock Skew）：时钟偏移（Skew）是指不同的接收设备接收到同一时钟驱动输出之间的时间差。对于参考时钟而言，时钟偏移有正延时和负延时之分。时钟偏移的后果：时钟

8、偏移可引起有效时钟周期的减小。产生的原因：1）由不同时钟路径的延时或驱动器件不同驱动门之间的时差所造成；2）由于接收端之间的阈值不同、负载电容不同、以及信号质量的差异所造成。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,10,时钟抖动（Clock Jitter）：时钟抖动（Jitter）是指由每一个时钟周期之间的不稳定性引起的相位抖动，该物理量可以用单个周期中最大的周期抖动与理想周期的差值表示。谱仪的40MHz时钟相位抖动应不大于0.2ns。时钟抖动的表现形式：1）时钟占空比随机变化；2）时钟信号在时间轴上左右摆动；时钟抖动的后果：时钟抖

9、动会引起时钟有效周期的减小和成像设备的相位噪声。,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,11,高速PCB设计原理和技术,建立时间（Setup Time）建立时间是指在时钟跳变前数据必须保持稳定（无跳变）的时间。保持时间（Hold Time）保持时间是指在时钟跳变后数据必须保持稳定的时间。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,12,高速PCB设计原理和技术,建立时间裕量（Setup Margin）建立时间裕量是所设计系统的建立时间与接收端芯片所要

10、求的最小建立时间之间的差值。保持时间裕量（Hold Time Margin）保持时间裕量是所设计系统的保持时间与接收端芯片所要求的最小保持时间之间的差值。设计原则：1）建立时间裕量大于0。2）保持时间裕量大于0。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,13,高速PCB设计原理和技术,地电平面反弹噪声(简称为地弹，Ground bounce)地弹是指由较大的电流涌动引起的、在地平面上产生的电压波动和变化。地弹产生原因：当较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面(0V)上

11、产生电压的波动和变化，这就是地电平面反弹噪声。地弹的后果：地电平面反弹噪声会影响其它元器件的动作。影响地弹的因素：负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。地平面回流噪声：是指由于地电平面(包括电源和地)分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，在地平面产生的回流噪声。在多电压PCB设计中，地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,14,高速PCB设计原理和技术,介电常数（r）介电常数是指绝缘物质的一种绝缘程度的

12、数位指标，它是针对空气介质常数的比值。介电常数（r）数值标准：当绝缘板材的介电常数愈小时，有信号传输的两相邻导线就愈容易达到绝缘的效果，换言之其信号的“能量”就愈不容易产生“漏出”，故绝缘材料的“介质常数”愈小愈好。介电常数（r）数值与频率关系：目前，各种板材的介质常数，在1MHz频率测试条件下，以铁氟龙（PTFE）的介质常数2.5为最好，而FR-4约为4.7。测试频率愈大，板材的介电常数愈小。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,15,故电磁波在空气中的传播速度等于光波速度，亦即11.76inch/nsec。电磁波在RF-4板材

13、中的传输速度当电路板上的导线被视为“传输线”时，其信号传输速度将大受板材r的影响，如常见的FR-4板材，在30MHz频率下测试时，其介质常数r为4.1，故该信号传输速度减慢为：,传输速率 由电磁波理论中的Maxwells理论可知，正弦波信号在介质中传播速度（Vp）与光速成正比，与其介质常数（r）平方根成反比。电磁波在空气中的传输速度,高速PCB设计原理和技术,常见介质的传输速率的对比数值,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,16,基本概念 信号完整性分析及解决方法 电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技

14、术 PCB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,交流内容：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,17,信号完整性分析信号完整性解决方法,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,18,高速PCB设计原理和技术,SI问题主要表现：,SI问题产生根源：,信号完整性（Signal Integrity，SI）,信号反射（Reflected Signals）过冲与下冲（Overshoot/Undersh

15、oot）振铃（Ringing）串扰（Crosstalk）延时和时序错误（Delay&Timing Errors）同步切换噪声（SSN）以及地弹和电源反弹电磁辐射（EMI Radiation）,数字信号开关速度不断提高，上升沿变快，造成的信号反射、过冲、振铃和串扰；信号的幅度不断降低，信号/噪声比越来越小；信号速度的提高；信号在传输线上的传输延迟；,SI就是确保瞬时跳变的数字信号通过较长的一段传输线后，在接收端仍能完整地被正确接收，并保证良好的电磁兼容性。SI主要涉及到延迟、反射、串扰、时序、端接策略、电流回路等问题。,Philips and Neusoft Medical Systems Co

16、.,Ltd.,Ltd.,19,高速PCB设计原理和技术,信号反射：如果一根走线没有被正确终结（终端匹配），那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。,过长的走线；未被匹配终结的传输线；过量电容或电感，以及阻抗失配；,反射信号产生的主要原因：,信号反射,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,20,高速PCB设计原理和技术,过冲与下冲 虽然大多数元件接收端都有输入保护二极管保护，但有时这些过冲电平会远远超过元件电源电压范围，损坏元器件。过冲与下冲产生的原因：过长的走线；信号变化太快；,过冲与下冲,Ph

17、ilips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,21,高速PCB设计原理和技术,振铃（Ringing）信号的振荡发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限从而导致逻辑功能紊乱。,振铃产生原因：信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃。,振铃（Ringing）,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,22,高速PCB设计原理和技术,串扰表现：串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号。易产生串扰的信号：异步信号 时钟信号串扰解决方法：信号线距

18、离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号就越小。因此解决串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号（包地）。,串扰,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,23,高速PCB设计原理和技术,延时和时序错误,PCB 板上的走线每单位英寸的延时为 0.167ns；如果过孔多，器件管脚多，网线上设置的约束多，延时将增大；过大的延时会导致时序错误；,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,24,同步切换噪声的后果：同步切换噪声引起地平面的波动，造成芯片地和系统地的不一致，形成了

19、地弹（Ground Bounce）。同步切换噪声引起电源平面的波动，造成了片电源和系统电源的不一致，形成了电源反弹（Power Bounce）。影响同步切换噪声的因素：SSN的强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗，以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电容的增大、负载电阻的减小、封装电感的增大和开关器件数目的增加，均会导致地弹和电源反弹的增大。,同步切换噪声（Simultaneous Switch Noise，SSN）：SSN是指当PCB板上众多数字信号同步进行切换时（如CPU的数据总线、地址总线等）产生的瞬间变化电流（），在有电感回路上引起交流压降而产生的

20、噪声，亦称 噪声。,高速PCB设计原理和技术,同步切换噪声（SSN）、地弹和电源反弹,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,25,高速PCB设计原理和技术,EMI所产生的问题包括过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两个方面电磁辐射的表现：当数字系统加电运行时，会向周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。电磁辐射产生的主要原因：电路频率太高；布局布线不合理，包括特性阻抗控制、线宽控制；,电磁辐射,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,26,信号完整性分析信号

21、完整性解决方法,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,27,高速PCB设计原理和技术,常见信号完整性问题及解决方法,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,28,基本概念 信号完整性分析及解决方法 电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术 PCB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,交流内容：,Philips and Neusoft Medical Systems

22、Co.,Ltd.,Ltd.,29,电源完整性分析电源完整性解决方法,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,30,电源完整性（Power Integrity，PI）：PI是指系统运行过程中电源波动的情况。PI设计将取代信号SI设计成为高速PCB设计新的难点和重点造成电源波动的主要方面：在器件高速开关状态下，瞬态的交变电流 过大；电流回路上存在电感和电容，尤其是电感；,高速PCB设计原理和技术,电源完整性的三种表现形式：非理想地平面存在阻抗所表现出来的同步开关噪声和地弹；非理想电源阻抗产生的影响；地平面和电源平

23、面的边缘效应。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,31,高速PCB设计原理和技术,对于一个实际的地平面，由于地引线和地平面存在电感，在开关电流的作用下，造成了一定的电压波动，器件的参考地不再保持零点平，这样，信号在驱动端和接收端都会产生异常：,对于接收端，在要发送的低电平上会出现相位与地面噪声相反的噪声波形；而对存储性器件，可能因电源和地噪声地影响造成数据意外翻转。,非理想地平面对信号的影响,对于驱动端，在要发送的低电平上会出现相位与地面噪声相同的噪声波形；而要发送的开关信号波形的下降沿变缓。,Philips and Neuso

24、ft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,32,非理想电源平面的等效网络：对于一个实际的电源平面，可以将其看成是由很多电感和电容构成的网络，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振效应，从而影响电源层的阻抗，使信号的波形产生畸变；,高速PCB设计原理和技术,非理想电源平面对信号的影响,频率对电源阻抗的影响：随着频率的增加，电源阻抗会随之明显增加；,电源和地的间距对电源阻抗的影响 电源和地的间距愈大，电源阻抗也明显增加。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,33,高速PCB设计原理和技术,边缘效应：地平面和电源

25、平面之间的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象，可列入EMI讨论范畴。减小边缘反射和辐射措施：通常采用添加去耦电容的方法抑制电源平面上的高频噪声，从而减轻边缘的电磁辐射；在PCB设计时，尽量让信号走线远离敷铜区边缘，以免电源平面和地平面受太大的干扰；20H原则；,地平面和电源平面的边缘效应,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,34,电源完整性分析电源完整性解决方法,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,35,对于正常电源电压为5V、允许的电压噪声为

26、5%、最大瞬间电流为1A的PCB设计，其最大电源阻抗,高速PCB设计原理和技术,大部分数字电路器件对电源波动范围要求是正常电压5%。电源之所以波动，就是因为实际的电源平面总是存在阻抗，这样在通过瞬间电流的时候，就会产生一定的电压降和电压摆动。,减小电源阻抗措施：为了降低电源的电阻和电感，减小电源阻抗，在设计中可采取的措施有：用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少导线长度；降低接触电阻；减少电源内阻；电源尽量靠近GND合理使用去藕电容；大面积敷铜；,电源阻抗设计,电源阻抗计算方法：为了保证每个器件始终都能得到正常的电源供给，应尽可能降低其阻抗，最大电源阻抗,Philips and Neusoft M

27、edical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,36,高速PCB设计原理和技术,同步噪声来源：同步切换噪声绝大部分来源于芯片的封装，以及接插件和连接器。同步噪声表现：同步切换噪声并不完全是电源问题，但对电源完整性产生的影响最主要表现为地弹和电源反弹。同步噪声分类：芯片内部（on-chip）开关噪声；该噪声只流经芯片的电源和地的封装电感芯片外部（off-chip）开关噪声；该噪声只流经芯片的信号线和地的封装电感芯片内部开关噪声对电源的影响：由于芯片内部（on-chip）噪声，使得在瞬间开关时，加载在芯片上的电源电压会下降，从而造成器件的驱动能力下降，电路速度减慢，发生电源反弹。芯片外部

28、开关噪声对电源的影响：当开关状态由1到0跳变时，芯片的地并不是理想的零点位，导致地弹；当开关状态由0到1跳变时，封装电感会给电源造成一定压降，导致电源反弹；,同步切换噪声控制,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,37,高速PCB设计原理和技术,按照所起的作用划分：旁路电容：为交流信号提供低阻抗回路；去藕电容：增加电源和地的交流耦合、减少交流信号对电源影响；滤波电容：用于滤波电路，起到滤波作用；对于直流电压，可利用电容充放电起到电池作用。按照介质不同划分：在高速数字电路PCB中广泛使用陶瓷电容，按照介质不同，陶瓷电容可以分为如下三种

29、：Z5U(2E6)：电气性能较差，适用于对稳定性和可靠性要求不高的场合。X7R(2X1)：电气性能较稳定，适用于稳定性和可靠性要求中低类场合。NPO(C0G)：电气性能最稳定，适用于稳定性和可靠性要求很高的高频场合。,电容的分类,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,38,高速PCB设计原理和技术,降低芯片内部（on-chip）噪声的措施：使用单独的电源层，并让电源层和地平面尽量接近，以降低系统供电电源的电感；增加电源和地的引脚数目，减短引线长度，尽可能采用大面积敷铜，以降低芯片封装中的电源和地管脚的电感；让电源和地的引脚成对出现，

30、并尽量靠近，以增加电源和地的互相耦合电感，从而减小回路总电感；给系统电源增加旁路电容，从而给高频的瞬变交流信号提供低电感的旁路，但变化较缓慢的信号仍走系统电源回路；降低芯片外部（off-chip）噪声的措施：让电源和地的引脚成对出现，并尽量靠近，以增加电源和地的互相耦合电感，从而减小回路总电感；对系统电源使用旁路电容不会影响地弹噪声的大小；,同步切换噪声控制,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,39,高速PCB设计原理和技术,电容的等效模型：除电容量C之外，一个实际电容还包含寄生的串联电阻Rs、串联电感Ls、泄漏电阻（绝缘电阻）R

31、p、介质吸收电容Cda、介质吸收电阻Rda等。,电容的相关参数：根据简化的实际模型，电容可看成是一个串联谐振电路，其等效阻抗、串联谐振频率和品质因数Q为,电容的频率特性,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,40,电容的选择原则：由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以在设计时尽量选用 和实际工作频率相近的电容；如果工作频率变化范围较宽，则可以同时并联使用一些 较小的大电容和 较大的小电容；,电容的频率特性在低于谐振频率 工作时，电容表现为电容性器件；在高于谐振频率 工作时，电容表现为电感性器件；在串联谐振频率时，等效阻抗取得最小值，此

32、时，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻Rs，,高速PCB设计原理和技术,电容的频率特性,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,41,电容并联的频率特性当n个相同容值的电容并联使用时，等效电容C变为nC，等效电容Ls变为Ls/n，等效电阻Rs变为Rs/n，但谐振频率 不变。当n个不同容值的电容并联使用时，因为每个电容的谐振频率不同，当工作频率处于最低谐振频率和最高谐振频率之间时，一些电容表现为容性，另外一些表现为感性，形成了一个LC并联谐振电路。当处于谐振状态时，电容和电感之间进行周期性的能量交换，以至流经电

33、源层的电流非常小，电源层表现为高阻抗状态，形成反谐振形现象，并且电容Q值越大，反谐振的振幅就越大。,高速PCB设计原理和技术,电容的频率特性,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,42,高速PCB设计原理和技术,有效削弱反谐振程度应采取的措施：采用Q值较小的电容，即采用寄生电阻Rs较大的电容；减小不同电容之间谐振频率的相对差值，即各个电容之间的容差不要过大，使得谐振幅值被限制在允许最大电源阻抗之内；尽可能选取Ls较小的电容，以减少电容的使用数量；,电容的频率特性,Philips and Neusoft Medical Systems

34、 Co.,Ltd.,Ltd.,43,高速PCB设计原理和技术,高速PCB布线对电容处理要求：降低电感高速PCB布线对电容处理措施：减小电容引线/引脚的长度；使用宽的连线；电容尽量靠近器件，并直接和电源管脚相连；使用表贴型电容，降低电容的高度；电容之间不要共用过孔，可以考虑打多个过孔接电源/地；电容的过孔要尽量靠近焊盘；旁路电容布线方式与其布线电感大小的关系,旁路电容在PCB中的布线方式,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,44,高速PCB设计原理和技术,传统的和基于SI/PI/EMI的PCB设计方法,Philips and Neu

35、soft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,45,基本概念 信号完整性分析及解决方法 电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术 PCB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,交流内容：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,46,传输线理论传输线特征阻抗控制,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,47,传输线定义：传输线由两条具有一定长度的

36、导线组成，一条用来发送信号，是信号路径，另一条用来接收信号，是返回路径。在一个多层板中，每一条线路都是传输线的组成部分，邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。传输线性能评价标准：一条线路成为“性能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值（通常在25欧姆和70欧姆之间）。,高速PCB设计原理和技术,传输线,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,48,传输线的确定：IPC-2141在节中提到：“当信号在导线中传输时，若导线的长度接近信号波长的1/7，则此时

37、的导线变成为传输线”（亦有文献认为此经验值为1/10）在数字电路中，即使元器件的工作频率不高，但是从“0”到“1”的上升时间Tr却是很短的，因而也会产生短暂的高频谐波，可以下面的公式来估算谐波中的最高频率如果导线传输延时大于1/2倍的数字信号驱动端上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应,高速PCB设计原理和技术,传输线,信号上升时间的典型值可通过器件手册给出；信号的传播时间在PCB设计中由实际布线长度决定,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,49,高速PCB设计原理和技术,传输线确定举例：对于1GHz频率的信号,其波长

38、=0.3m，当其在PCB板上传输时，长度超过43mm（约1.7inches）的传送该信号的导线就变成了传输线某一元器件的Tr=2ns,则所含的谐波最高频率=175MHz，在这个频率下，当PCB上的导线长度大于24.5cm时，就应该按照传输线进行处理对于传输线需要考虑的问题：如果PCB板上的走线被确定为传输线，就要考虑其与接收端之间的阻抗匹配问题。如果传输线和接收端的阻抗不匹配，那么就会引起信号在接收端产生反射，这个反射信号将被返传回信号发射端并再次被反射回来。随着能量的减弱，反射信号的幅度将减小，直到信号的电压和电流达到稳定。这种效应被称为振荡，振荡现象在信号的上升沿和下降沿经常可以看到。,传

39、输线,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,50,特征阻抗定义：在PCB业界内所说的阻抗控制，实质上是指特性阻抗控制（Characteristic Impedance Control）。特性阻抗 是在高频情况下，方波信号或脉冲信号在能量传输过程中所受到的阻力。特征阻抗大小：PCB上传输信号的铜导线可以等效为一个等效电阻R、一个杂散分布电感L和并联电容C组合而成的传导线路。在高频条件下，等效电阻大小约0.25-0.55 ohms/foot，可以被忽略，因此，高频时的特性阻抗 交流阻抗：交流阻抗 是导体传导交流电流时所受到的阻力，它与电

40、阻、感抗和容抗的关系是：,高速PCB设计原理和技术,传输线特征阻抗,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,51,高速PCB设计原理和技术,PCB的传输线结构：PCB的传输线是由信号线、介质层、参考层三者组成。PCB的传输线结构类型：PCB设计规范IPC-D-317A定义了六种传输线：Microstrip、Embedded Microstrip、Stripline、Dual Stripline、Wire Stripline、Wire Over Ground常用的四种传输线及其结构模型：,表面微带线（Surface Microstrip

41、）嵌入式微带线（Embedded Microstrip）带状线（Stripline）双带线（Dual-Stripline）,传输线类型,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,52,对于差分信号，表面微带线的特性阻抗 的修正公式为,1）表面微带线（Surface Microstrip）的特性阻抗,2）嵌入式微带线（Embedded Microstrip）的特性阻抗,3）带状线（Stripline）的特性阻抗,4）双带线（Dual-Stripline）的特征阻抗,高速PCB设计原理和技术,传输线特征阻抗的计算,：PCB板基材介质常数；W

42、：PCB传输导线宽度；T：PCB传输导线厚度；H：PCB板介质层厚度；,建议采用Polar阻抗计算软件对传输线的 进行估算,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,53,高速PCB设计原理和技术,传输线特征阻抗的计算,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,54,在PCB加工工艺上应该注意的问题：,由于水的介电常数 约为空气的75倍（空气的=1），故完工的多层板要尽量避免吸水，免得出现 较大的下降和不稳定的现象。,由于绿油漆的介电常数 约为空气的4.0倍左右（空气的=1），故

43、上绿油之后的铜微带线的 将降低13。,介质常数 越小，特性阻抗 就越高，信号在介质材料中的传输速度也就越增加，故必须选用低介质常数的材料。基板材料的介质常数是基板材料的各种介质材料的综合体现。FR-4基板材料是由环氧树脂和E玻璃纤维布增强材料组成的，其介质常数一般都较大，但成本较低。,介质常数 对特性阻抗 的影响,高速PCB设计原理和技术,传输线特性阻抗控制,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,55,特性阻抗 与介质厚度H的自然对数成正比，介质越厚，特性阻抗 越大。在相同介质厚度和材料条件下，微带线结构设计比带状线结构设计具有更高

44、的特性阻抗，因此，建议采用微带线实现对高频模拟信号和高速数字信号的传输，保证信号的传输速度。,高速PCB设计原理和技术,介质厚度H对特性阻抗 的影响,传输线特性阻抗控制,但在PCB走线密度较高的情况下，增加介质厚度将会引起电磁干扰和串扰的增加，解决这种问题的方法就是降低介质常数，从而减小寄生电容，增大特征阻抗。,在PCB生产中，为了保证良好的绝缘性，降低介质常数，相邻电路层之间需放置两张以上的半固化片，且在层压过程中，要保证层压厚度的一致性，使同一块PCB的特性阻抗相同。,在PCB加工工艺上应该注意的问题：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd

45、.,Ltd.,56,高速PCB设计原理和技术,传输线特性阻抗控制,铜箔厚度T对特性阻抗 的影响,铜箔厚度 T越大，其特性阻抗值 就越小，但其变化范围较小，因此在一般情况下，不采用改变铜箔厚度的方法来改变特性阻抗大小。,目前，PCB的铜箔厚度基本上有0.50Z、10Z、1.50Z、20Z等，对于一般的信号线，采用0.5Z或10Z，而对于电流较大的电源板可以采用20Z，以便达到使用较小线宽承载较大电流目的。,在PCB加工工艺上应该注意的问题：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,57,高速PCB设计原理和技术,传输线特性阻抗控制,导线

46、宽度W对特性阻抗 的影响,导线宽度W越小，特性阻抗 越大，且导线的宽度变化较其厚度的变化对 的影响更明显，因此，通过控制导线的线宽是控制PCB特性阻抗值和变化范围的最根本途径。,由于PCB蚀刻过程中的侧蚀现象，导线宽度会发生变化，从而会对特性阻抗产生影响。要满足阻抗匹配的要求，在PCB设计过程中，需要根据PCB生产厂的侧蚀量大小，对线宽进行控制。,在PCB加工工艺上应该注意的问题：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,58,基本概念 信号完整性分析及解决方法 电源完整性分析及解决方法传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术 P

47、CB的叠层结构设计 电磁兼容设计 PCB设计仿真 高速电路设计经验分享,高速PCB设计原理和技术,交流内容：,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,59,信号反射理论端接技术,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,60,高速PCB设计原理和技术,与信号反射有关的主要参数,信号反射原理,传输线特性阻抗传输线的长度数字信号驱动源内阻负载阻抗,在负载端阻抗与传输线阻抗不匹配的条件下，会有一部分信号从负载端（B点）反射回源端（A点），反射电压信号的幅值由

48、负载反射系数 决定,负载反射系数,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,61,高速PCB设计原理和技术,信号反射原理,负载反射系数 分析,当=时，传输线的阻抗是连续的，此时不发生任何反射，能量的一半消耗在源内阻上，能量的另一半消耗在负载电阻上。负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，传输线无直流损耗，这种情况为临界阻尼，但从设计的角度来看，这种临界状态很难实现。当 时，处于欠阻尼状态，反射波极性为正，没有被负载端吸收的多余的能量被反射回源端，形成信号反射现象。,Philips and Neusoft Medical Syst

49、ems Co.,Ltd.,Ltd.,62,高速PCB设计原理和技术,信号反射原理,负载反射系数 分析,当 时，处于过阻尼状态，反射波极性为负，负载端试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量，故通过反射来通知源端输送更多的能量，形成反射；但轻微的过阻尼不会造成能量反射回源端，故从设计的角度讲，最可靠的是增加传输线特性阻抗，采用轻微的过阻尼来达到抑制信号反射的目的。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,63,源反射系数 及其分析,高速PCB设计原理和技术,信号反射原理,当从负载端反射回的电压到达源端时，又将再次反射回负载端，形成二次反射

50、波，此时发射电压的幅值由源反射系数 决定；若=0，则反射消除。,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,64,造成信号反射的原因,高速PCB设计原理和技术,信号反射原理,源端和负载端的阻抗不匹配不正确的布线的几何形状、布线的走向和过孔不正确的线端接信号经过连接器的传输电源平面的不连续,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.,Ltd.,65,信号反射理论端接（终端匹配）技术,高速PCB设计原理和技术,Philips and Neusoft Medical Systems Co.,Ltd.