【正文】 z時，將產(chǎn)生傳輸線效應和信號的完整性問題；而當系統(tǒng)時鐘達到120MHz時，除非使用高速電路設計知識，否則基于傳統(tǒng)方法設計的PCB將無法工作。因此，高速電路設計技術已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設計師必須采取的設計手段。只有通過使用高速電路設計師的設計技術，才能實現(xiàn)設計過程的可控性。3．2 什么是高速電路　　通常認為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達到或者超過45MHZ～50MHZ，而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個電子系統(tǒng)一定的份量（比如說1/3），就稱為高速電路?！　嶋H上，信號邊沿的諧波頻率比信號本身的頻率高，是信號快速變化的上升沿與下降沿（或稱信號的跳變）引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A期結果。因此，通常約定如果線傳播延時大于1/2數(shù)字信號驅動端的上升時間，則認為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應。 信號的傳遞發(fā)生在信號狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時間。信號從驅動端到接收端經(jīng)過一段固定的時間，如果傳輸時間小于1/2的上升或下降時間，那么來自接收端的反射信號將在信號改變狀態(tài)之前到達驅動端。反之，反射信號將在信號改變狀態(tài)之后到達驅動端。如果反射信號很強，疊加的波形就有可能會改變邏輯狀態(tài)。3．3 高速信號的確定　　上面我們定義了傳輸線效應發(fā)生的前提條件，但是如何得知線延時是否大于1/2驅動端的信號上升時間？一般地，信號上升時間的典型值可通過器件手冊給出，而信號的傳播時間在PCB設計中由實際布線長度決定。下圖為信號上升時間和允許的布線長度(延時)的對應關系。 PCB 。但是，如果過孔多，器件管腳多，網(wǎng)線上設置的約束多，延時將增大。如果板上有GaAs芯片。設Tr 為信號上升時間，Tpd為信號線傳播延時。如果Tr≥4Tpd，信號落在安全區(qū)域。如果2Tpd≥Tr≥4Tpd，信號落在不確定區(qū)域。如果Tr≤2Tpd，信號落在問題區(qū)域。對于落在不確定區(qū)域及問題區(qū)域的信號，應該使用高速布線方法。3．4 什么是傳輸線PCB板上的走線可等效為下圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結構。 ohms/foot，因為絕緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實際的PCB連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Zo。線徑越寬，距電源/地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號和信號最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號在接收端產(chǎn)生反射，這個反射信號將傳回信號發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號的幅度將減小，直到信號的電壓和電流達到穩(wěn)定。這種效應被稱為振蕩，信號的振蕩在信號的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹?。3．5 傳輸線效應基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會對整個電路設計帶來以下效應。 反射信號Reflected signals 延時和時序錯誤Delay amp。 入庫時間Timing errors 多次跨越邏輯電平門限錯誤False Switching 過沖與下沖Overshoot/Undershoot 串擾Induced Noise (or crosstalk) 電磁輻射EMI radiation1． 反射信號　　如果一根走線沒有被正確終結(終端匹配)，那么來自于驅動端的信號脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預期效應，使信號輪廓失真。當失真變形非常顯著時可導致多種錯誤，引起設計失敗。同時，失真變形的信號對噪聲的敏感性增加了，也會引起設計失敗。如果上述情況沒有被足夠考慮，EMI將顯著增加，這就不單單影響自身設計結果，還會造成整個系統(tǒng)的失敗。 反射信號產(chǎn)生的主要原因：過長的走線；未被匹配終結的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。2． 延時和時序錯誤　　信號延時和時序錯誤表現(xiàn)為：信號在邏輯電平的高與低門限之間變化時保持一段時間信號不跳變。過多的信號延時可能導致時序錯誤和器件功能的混亂?！　⊥ǔＴ谟卸鄠€接收端時會出現(xiàn)問題。電路設計師必須確定最壞情況下的時間延時以確保設計的正確性。信號延時產(chǎn)生的原因：驅動過載，走線過長。3． 多次跨越邏輯電平門限錯誤信號在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限從而導致這一類型的錯誤。多次跨越邏輯電平門限錯誤是信號振蕩的一種特殊的形式，即信號的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限會導致邏輯功能紊亂。反射信號產(chǎn)生的原因：過長的走線，未被終結的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。4． 過沖與下沖 過沖與下沖來源于走線過長或者信號變化太快兩方面的原因。雖然大多數(shù)元件接收端有輸入保護二極管保護，但有時這些過沖電平會遠遠超過元件電源電壓范圍，損壞元器件。5. 串擾　　串擾表現(xiàn)為在一根信號線上有信號通過時，在PCB板上與之相鄰的信號線上就會感應出相關的信號，我們稱之為串擾。　　信號線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串擾信號越小。異步信號和時鐘信號更容易產(chǎn)生串擾。因此解串擾的方法是移開發(fā)生串擾的信號或屏蔽被嚴重干擾的信號。6 。電磁輻射　　EMI(ElectroMagnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當數(shù)字系統(tǒng)加電運行時，會對周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。目前已有進行EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數(shù)和邊界條件設置又很困難，這將直接影響仿真結果的準確性和實用性。最通常的做法是將控制EMI的各項設計規(guī)則應用在設計的每一環(huán)節(jié)，實現(xiàn)在設計各環(huán)節(jié)上的規(guī)則驅動和控制。3．6 避免傳輸線效應的方法針對上述傳輸線問題所引入的影響，我們從以下幾方面談談控制這些影響的方法。1 。嚴格控制關鍵網(wǎng)線的走線長度　　如果設計中有高速跳變的邊沿，就必須考慮到在PCB板上存在傳輸線效應的問題?，F(xiàn)在普遍使用的很高時鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問題。解決這個問題有一些基本原則：如果采用CMOS或TTL電路進行設計，工作頻率小于10MHz，布線長度應不大于7英寸。如果工作頻率達到或超過75MHz布線長度應在1英寸。如果超過這個標準，就存在傳輸線的問題。2． 合理規(guī)劃走線的拓撲結構　　解決傳輸線效應的另一個方法是選擇正確的布線路徑和終端拓撲結構。走線的拓撲結構是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結構。當使用高速邏輯器件時，除非走線分支長度保持很短，否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線上的分支走線所扭曲。通常情形下，PCB走線采用兩種基本拓撲結構，即菊花鏈(Daisy Chain)布線和星形(Star)分布。　　對于菊花鏈布線，布線從驅動端開始，依次到達各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來改變信號特性，串聯(lián)電阻的位置應該緊靠驅動端。在控制走線的高次諧波干擾方面，菊花鏈走線效果最好。但這種走線方式布通率最低，不容易100%布通。實際設計中，我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短，安全的長度值應該是：Stub Delay = Trt *.　　例如。這種拓撲結構占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結。但是這種走線結構使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的?！　⌒切瓮負浣Y構可以有效的避免時鐘信號的不同步問題，但在密度很高的PCB板上手工完成布線十分困難。采用自動布線器是完成星型布線的最好的方法。每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應和連線的特征阻抗相匹配。這可通過手工計算，也可通過CAD工具計算出特征阻抗值和終端匹配電阻值。在上面的兩個例子中使用了簡單的終端電阻，實際中可選擇使用更復雜的匹配終端。第一種選擇是RC匹配終端。RC匹配終端可以減少功率消耗，但只能使用于信號工作比較穩(wěn)定的情況。這種方式最適合于對時鐘線信號進行匹配處理。其缺點是RC匹配終端中的電容可能影響信號的形狀和傳播速度?！　〈?lián)電阻匹配終端不會產(chǎn)生額外的功率消耗，但會減慢信號的傳輸。這種方式用于時間延遲影響不大的總線驅動電路。串聯(lián)電阻匹配終端的優(yōu)勢還在于可以減少板上器件的使用數(shù)量和連線密度。　　最后一種方式為分離匹配終端，這種方式匹配元件需要放置在接收端附近。其優(yōu)點是不會拉低信號，并且可以很好的避免噪聲。典型的用于TTL輸入信號(ACT,HCT, FAST)?！　〈送?，對于終端匹配電阻的封裝型式和安裝型式也必須考慮。通常SMD表面貼裝電阻比通孔元件具有較低的電感，所以SMD封裝元件成為首選。如果選擇普通直插電阻也有兩種安裝方式可選：垂直方式和水平方式?！　〈怪卑惭b方式中電阻的一條安裝管腳很短，可以減少電阻和電路板間的熱阻，使電阻的熱量更加容易散發(fā)到空氣中。但較長的垂直安裝會增加電阻的電感。水平安裝方式因安裝較低有更低的電感。但過熱的電阻會出現(xiàn)漂移，在最壞的情況下電阻成為開路，造成PCB走線終結匹配失效，成為潛在的失敗因素。3．抑止電磁干擾的方法　　很好地解決信號完整性問題將改善PCB板的電磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是保證PCB板有很好的接地。對復雜的設計采用一個信號層配一個地線層是十分有效的方法。此外，使電路板的最外層信號的密度最小也是減少電磁輻射的好方法，這種方法可采用“表面積層”技術“Buildup”設計制做PCB來實現(xiàn)。表面積層通過在普通工藝PCB上增加薄絕緣層和用于貫穿這些層的微孔的組合來實現(xiàn)，電阻和電容可埋在表層下，單位面積上的走線密度會增加近一倍，因而可降低 PCB的體積。PCB面積的縮小對走線的拓撲結構有巨大的影響，這意味著縮小的電流回路，縮小的分支走線長度，而電磁輻射近似正比于電流回路的面積；同時小體積特征意味著高密度引腳封裝器件可以被使用，這又使得連線長度下降，從而電流回路減小，提高電磁兼容特性。4． 其它可采用技術　　為減小集成電路芯片電源上的電壓瞬時過沖，應該為集成電路芯片添加去耦電容。這可以有效去除電源上的毛刺的影響并減少在印制板上的電源環(huán)路的輻射?！　‘斎ヱ铍娙葜苯舆B接在集成電路的電源管腿上而不是連接在電源層上時，其平滑毛刺的效果最好。這就是為什么有一些器件插座上帶有去耦電容，而有的器件要求去耦電容距器件的距離要足夠的小?！　∪魏胃咚俸透吖牡钠骷M量放置在一起以減少電源電壓瞬時過沖?！　∪绻麤]有電源層，那么長的電源連線會在信號和回路間形成環(huán)路，成為輻射源和易感應電路?！　∽呔€構成一個不穿過同一網(wǎng)線或其它走線的環(huán)路的情況稱為開環(huán)。如果環(huán)路穿過同一網(wǎng)線其它走線則構成閉環(huán)。兩種情況都會形成天線效應(線天線和環(huán)形天線)。天線對外產(chǎn)生EMI輻射，同時自身也是敏感電路。閉環(huán)是一個必須考慮的問題，因為它產(chǎn)生的輻射與閉環(huán)面積近似成正比?！　∫虼?，高速電路設計是一個非常復雜的設計過程，本節(jié)所闡述的方法就是專門針對解決這些高速電路設計問題的。此外，在進行高速電路設計時有多個因素需要加以考慮，這些因素有時互相對立。如高速器件布局時位置靠近，雖可以減少延時，但可能產(chǎn)生串擾和顯著的熱效應。因此在設計中，需權衡各因素，做出全面的折衷考慮；既滿足設計要求，又降低設計復雜度。高速PCB設計手段的采用構成了設計過程的可控性，只有可控的，才是可靠的，也才能是成功的！四 印制電路板制作技術簡介4．1 印制板的選擇 印制電路板是利用金屬導體薄膜（通常稱為銅箔）粘于絕緣基板上的電子線路。金屬瘡用作電子元件的聯(lián)接導體。元件的引線端插入基板及銅箔上的鉆孔或沖孔中，這些引線焊于導電箔上形成一個完整的印制電路。 印制電路板比通常的布線電路具有下列優(yōu)點： （１）有利于縮小整機尺寸和制成標準組件： （２）產(chǎn)品質量比較穩(wěn)定、一致； （3）降低成本； （４）減少接線錯； （５）減少組裝與檢查工時； （６）適合大批量生產(chǎn)； （7）提高產(chǎn)品的可靠性。１．印制電路板的類型 印制電路板分為剛性和柔性兩種。剛性印制電路板又分為平面和雙面板．或者和柔性板結合組成多層印制電路． 無論是哪一種類型，都是在一片絕緣基板上：用化學或機械方法粘上一層或二層導電位薄膜構成。加工后印制電路板作為電子元件的電氣聯(lián)線和機械支架。剛性單面印制電路板是應用最廣的一種，大量使用在不太復雜的電路中。雙面印制電路板及多層印制電路板常用于復雜的電子電路中。 柔性印制電路板是用導電薄膜和絕緣薄膜層疊而成的，有預備的焊接端頭，其余部分都被絕緣膜包裹。錢端連接方式則可用焊接或尼龍插頭、座塔接。所以柔性扁平印制電路使用時與普通電纜相似．但它要柔軟得多。２．印制電路板的材料 （1）絕緣基板 剛性印制電路板的基材主要由纖維片浸漬有機樹脂通過熱壓而成、增強的纖維材料常用紙和布，這種用有機和無機的增強材料制成的絕緣基板常用的有． 纖維素紙層壓板：牛皮紙、亞硫酸鹽紙、纖維素紙、棉布或破布紙。前二種材料是用軟木（如松木）經(jīng)化學處理而制成，對樹脂都有較高吸收能力，電性能較好．吸水性能較低．內(nèi)層剪切強度高．但抗張強度和撓曲強度差。棉布或破布紙是用廢棉布或棉毛制成的紙。純度高、比前幾種紙價貴，但電性能好。 這些紙的特性決定于纖維的分子特性和吸收樹脂的能力。為了改善紙的吸水性和耐溫性能，出現(xiàn)了乙?；?，它的吸水率低．介電性能穩(wěn)定．不容易變形。若選擇不同的浸漬樹脂電性能也不夠穩(wěn)定。玻璃纖維織物必須經(jīng)過漂洗、浸蝕和熱處理除去編織工藝中的潤滑劑．再經(jīng)分子生膜工藝進行處理．以防止潮氣對玻璃布的污染．并使玻璃布能與有機樹脂浸潤結合、得到良好而穩(wěn)定的物理、機械和電氣性能。 用來使基料粘合在一起的樹脂對層壓板特性有很大的影響．常用的樹脂有：酚醛樹脂、三聚氰膠樹脂、環(huán)氧樹脂和有機硅樹脂。 酚醛玻璃布層壓板在尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊強度和撓曲強度方面都比酚醛紙層壓板好。電性能在干燥條件下相仿。 三聚氯胺玻璃布層壓板耐溫（最高溫度達１８０℃）、耐濕、低介質損耗，特性優(yōu)越，而且丙烯酸樹脂的高溫穩(wěn)定性好。因此．聚酯被擒布層壓板已廣泛應用于電子工業(yè)中。 環(huán)氧玻璃布層壓板的機械、電氣、耐溫性能都很