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1、高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术 交流内容：交流内容：1.1.基本概念基本概念 2.2.信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 3.3.电源完整性分析及解决方法电源完整性分析及解决方法4.4.传输线理论及特征阻抗控制传输线理论及特征阻抗控制 5.5.反射理论及端接技术反射理论及端接技术 6.6.PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 7.7.电磁兼容设计电磁兼容设计 8.8.PCBPCB设计仿真设计仿真 9.9.高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术 Neusoft Medical Systems Co., Ltd
2、.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念1.串扰（crosstalk）2.电磁兼容（EMC）3.反射（Reflection）4.过冲（Overs
3、hoot）和下冲（Undershoot）5.时钟偏移（Clock Skew）和时钟抖动（Clock Jitter）6.建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）7.建立时间裕量（Setup Margin）和保持时间裕量（Hold Margin）8.地电平面反弹噪声和回流噪声9.介电常数（r）10.传输速率 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.串扰（串扰（crosstalk）及后果）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，
4、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。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。影响串扰的因素：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 。高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术串扰只发生在Aggressor的上升或下降沿Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技
5、术电磁兼容性（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（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命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰（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
6、磁场进行的电磁耦合。电磁抗干扰（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）。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术反射（反射（Reflection）及后果）及后果 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：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
7、载阻抗小于源阻抗，反射电压为负。影响反射的因素：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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术过过冲（冲（Overshoot）：）： 过冲是指超过设定电压的第一个峰值或谷值。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（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
8、效；过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术时钟时钟偏移（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。时钟时钟偏移的后果偏移的后果： 时钟偏移可引起有效时钟周期的减小。产产生的原因：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。Neusoft Medical Sy
9、stems Co., Ltd.时钟时钟抖抖动动（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 。时钟时钟抖抖动动的表的表现现形式：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；时钟时钟抖抖动动的后果：的后果： 时钟抖动会引起时钟有效周期的减小和成像设备的相位噪声。高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技
10、术设计原理和技术建立建立时间（Setup Time）建立建立时间时间是指是指在在时钟跳跳变前数据必前数据必须保持保持稳定（无跳定（无跳变）的）的时间。保持保持时间（Hold Time）保持保持时间时间是指是指在在时钟跳跳变后数据必后数据必须保持保持稳定的定的时间。Input SignalVSSSetup TimeHold TimeClock Signal(Active Rising) 50%50%50%VDDVDDVSSNeusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术建立时间裕量（建立时间裕量（Setup Margin） 建立时
11、间裕量是所设计系统的建立时间与接收端芯片所要求的最小建立时间之间的差值。保持时间裕量（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：设计原则： 1）建立时间裕量大于0。 2）保持时间裕量大于0。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术地电平面反弹噪声地电平面反弹噪声(简称为地弹，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：地弹产生原因： 当较大的瞬态电流在
12、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：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：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。Neusoft Medical S
13、ystems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术介电常数（介电常数（r） 介电常数是指绝缘物质的一种绝缘程度的数位指标，它是针对空气介质常数的比值。介电常数（介电常数（r）数值标准：）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（介电常数（r）数值与频率关系：）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。Ne
14、usoft Medical Systems Co., Ltd.故电磁波在空气中的传播速度等于光波速度，亦即11.76inch/nsec。电磁波在电磁波在RF-4板材中的传输速度板材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。电电磁波在空气中的磁波在空气中的传输传输速度速度高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术常常见见
15、介介质质的的传输传输速率的速率的对对比数比数值值Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.l信号完
16、整性分析信号完整性分析l信号完整性解决方法信号完整性解决方法高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术SI问题主要表现：问题主要表现：SI问题产生根源：问题产生根源： 信号完整性（信号完整性（Signal Integrity，SI）n信号反射（Reflected Signals）n过冲与下冲（Overshoot/Undershoot）n振铃（Ringing）n串扰（Crosstalk）n延时和时序错误（Delay & Timing Errors）n同步切换噪声（SSN）以及地
17、弹和电源反弹n电磁辐射（EMI Radiation）n 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；n信号的幅度不断降低，信号/噪声比越来越小；n信号速度的提高；n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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术信号反射：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
18、被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。n过长的走线；n未被匹配终结的传输线；n过量电容或电感，以及阻抗失配；反射信号反射信号产产生的主要原因：生的主要原因：信号反射信号反射Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术过冲与下冲过冲与下冲 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：过冲与下冲产生的原因：n 过长的走线；n 信号变化太快；过冲与下冲过冲与下冲Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB
19、设计原理和技术设计原理和技术振振铃（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。振振铃产铃产生原因：生原因： 信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃。振铃（振铃（Ringing）Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术串扰表现：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：易产生串扰的信号：n 异步信号n 时钟信号串扰解决方法：串扰解决方法： 信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号就越小。
20、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）。串扰串扰Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术延时和时序错误延时和时序错误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；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.同步切换噪声的后果：同步切换噪声的后果：n 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，形成了地弹（Ground Bounce）。n 同步切换噪声引起电源平面的波动
21、，造成了片电源和系统电源的不一致，形成了电源反弹（Power Bounce）。影响同步切影响同步切换噪声的因素：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。同步切同步切换噪声（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噪声，亦称 噪声。高速高
22、速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术同步切换噪声（同步切换噪声（SSN）、地弹和电源反弹）、地弹和电源反弹 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术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：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。电磁辐射产电磁辐射产生的主要原因：生的主要原因：n电路频率太高；n布局布线不合理，包括特性阻抗控制、线宽控制；电磁辐射电磁辐射Neusoft Medical Systems Co., Ltd
23、.l信号完整性分析信号完整性分析l信号完整性解决方法信号完整性解决方法高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术常常见信号完整性信号完整性问题问题及解决方法及解决方法问题问题描述描述可能原因可能原因解决方法解决方法其他解决方法其他解决方法过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面过大的串扰线间耦合过大使用上升时间缓慢的发送驱动器使用能提供更大驱动电流的驱动源延时太大传输线距离太长
24、替换或重新布线使用阻抗匹配的驱动源，变更布线策略振荡阻抗不匹配在发送端串接阻尼电阻存在地弹和电源反弹电感导致阻抗过大合理使用耦合电容敷铜Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内
25、容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.l电源完整性分析电源完整性分析l电源完整性解决方法电源完整性解决方法高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.电源完整性（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造成电源波源波动的主要方面：的主要方面：n在器件高速开关状态下，瞬态的交变电流 过大；n电流回路上存在电感和电容，尤其是电感；高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和
26、技术电源完整性的三种表现形式：电源完整性的三种表现形式：n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；n非理想电源阻抗产生的影响；n地平面和电源平面的边缘效应。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术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： n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非理
27、想地平面对信号的影响n 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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.非理想电源平面的等效网络：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；高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术非理想电源平面对信号的影响非理想电源平面对信号的影响频率对电源阻抗的影响：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
28、对电源阻抗的影响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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术边缘效应：边缘效应： 地平面和电源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：减小边缘反射和辐射措施：n 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；n 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；n 20H原则；地平面和电源平面的边缘效应地平面和电源平面的边缘效应Neusoft M
29、edical Systems Co., Ltd.l电源完整性分析电源完整性分析l电源完整性解决方法电源完整性解决方法高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.对于正常电源电压为5V、允许的电压噪声为5%、最大瞬间电流为1A的PCB设计，其最大电源阻抗高速高速PCBPCB设计原理和技术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：减小电源阻抗措施： 为了降低电源的电阻和电感，减
30、小电源阻抗，在设计中可采取的措施有：n用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少导线长度；n降低接触电阻；n减少电源内阻；n电源尽量靠近GNDn合理使用去藕电容；n大面积敷铜；电源阻抗设计电源阻抗设计电源阻抗计算方法：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Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术同步噪声来源：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
31、表现为地弹和电源反弹。同步噪声分类：同步噪声分类：n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n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：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。芯片外部开关噪声对电源的影响：芯片外部开关噪声对电源的影响：n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；n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
32、反弹；同步切换噪声控制同步切换噪声控制Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术按照所起的作用划分：按照所起的作用划分：n旁路电容：为交流信号提供低阻抗回路；n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；n滤波电容：用于滤波电路，起到滤波作用；n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：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：nZ5U(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。nX7R(2X1)：电气性能较稳
33、定，适用于稳定性和可靠性要求中低类场合。nNPO(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。电容的分类电容的分类Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术降低芯片内部（降低芯片内部（on-chip）噪声的措施：）噪声的措施：n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；n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；n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；n给系统电源增加
34、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（降低芯片外部（off-chip）噪声的措施：）噪声的措施：n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；n对系统电源使用旁路电容不会影响地弹噪声的大小；同步切换噪声控制同步切换噪声控制Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电容的等效模型：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）Rp、介质吸收电容Cda、介质吸收电阻
35、Rda等。电容的相关参数：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 电容的频率特性电容的频率特性Neusoft Medical Systems Co., Ltd.电容的选择原则：电容的选择原则：l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；l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；电容的频率特性电容的频率特性n在低于谐振频率 工作时，电容表现为电容性器件； n在高于谐振频率 工作时，电容表现为电感性器件；n在串联谐振频率时，等效阻抗取得最小值，此时，电容的容
36、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，高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电容的频率特性电容的频率特性Neusoft Medical Systems Co., Ltd.电容并联的频率特性电容并联的频率特性n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。n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
37、电源层的电流非常小，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。高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电容的频率特性电容的频率特性Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术有效削弱反谐振程度应采取的措施有效削弱反谐振程度应采取的措施：n采用Q值较小的电容，即采用寄生电阻Rs较大的电容；n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； n尽可能选取Ls较小的电容，以减少电容的使用数量；电容的频率特性电容的频率特性Neu
38、soft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速PCB布线对电容处理要求：n降低电感高速PCB布线对电容处理措施：n减小电容引线/引脚的长度；n使用宽的连线；n电容尽量靠近器件，并直接和电源管脚相连；n使用表贴型电容，降低电容的高度；n电容之间不要共用过孔，可以考虑打多个过孔接电源/地；n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旁路电容在PCB中的布线方式中的布线方式Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传统的和基于传统的
39、和基于SI/PI/EMI的的PCB设计方法设计方法 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.l传
40、输线理论传输线理论l传输线特征阻抗控制传输线特征阻抗控制高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.传输线定定义： 传输线由两条具有一定长度的导线组成，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：传输线性能评价标准：n 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。n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）。高速高速P
41、CBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线传输线Neusoft Medical Systems Co., Ltd.传输线的确定：传输线的确定：nIPC-2141在3.4.4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，则此时的导线变成为传输线”（亦有文献认为此经验值为1/10）n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n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 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术
42、传输线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Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线确定举例：传输线确定举例：n对于1GHz频率的信号,其波长 =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n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：对于传输线需要考虑的问题：n如果PCB板
43、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。n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。传输线传输线Neusoft Medical Systems Co., Ltd.特征阻抗定义：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
44、中所受到的阻力。特征阻抗大小：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： 交流阻抗 是导体传导交流电流时所受到的阻力，它与电阻、感抗和容抗的关系是：高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线传输线名称名称特性阻抗范特性阻抗范围围PCB信号线10120导波管(Wave Guide)25100TV双股天线100300同轴电缆50100传输线特征阻抗特征阻抗Neusoft Medical Sy
45、stems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的的传输线结传输线结构：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：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常用的四种常用的四种传输线传输线及其及其结结构模型：构模型：n表面微带线（Surface Microstrip）n嵌入式微带线（Embedded Microstrip
46、）n带状线（Stripline）n双带线（Dual-Stripline）传输线类型型Neusoft Medical Systems Co., Ltd.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 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线特征阻抗的特征阻抗的计算算 ：PCB板基材介质常数； W：PCB传输导线宽度； T：PCB传输导线厚度； H：PCB板介
47、质层厚度；建议采用Polar阻抗计算软件对传输线的 进行估算 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线特征阻抗的特征阻抗的计算算Neusoft Medical Systems Co., Ltd.在在PCB加工工艺上应该注意的问题：加工工艺上应该注意的问题：n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。n由于绿油漆的介电常数 约为空气的4.0倍左右（空气的 =1），故上绿油之后的铜微带线的 将降低13。n介质常数 越小，特性阻抗 就越高，信号在
48、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。n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。介介质质常数常数 对特性阻抗对特性阻抗 的影响的影响 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线特性阻抗控制传输线特性阻抗控制 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.n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的特性阻抗，因此，建议采用微带线实现对高频模拟信号和
49、高速数字信号的传输，保证信号的传输速度。高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术介介质质厚度厚度H对对特性阻抗特性阻抗 的影响的影响传输线特性阻抗控制传输线特性阻抗控制 n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。n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。 在在PCB加工工艺上应该注意的问题：加工工艺上应该注意的问题：Neusoft Medical Systems C
50、o., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线特性阻抗控制传输线特性阻抗控制 铜铜箔厚度箔厚度T对对特性阻抗特性阻抗 的影响的影响 n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。 n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。 在在PCB加工工艺上应该注意的问题：加工工艺上应该注意的问题：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.
51、高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术传输线特性阻抗控制传输线特性阻抗控制 导线宽度导线宽度W对对特性阻抗特性阻抗 的影响的影响 n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 。 n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。在在PCB加工工艺上应该注意的问题：加工工艺上应该注意的问题：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本
52、概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.l信号反射理论信号反射理论l端接技术端接技术高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical S
53、ystems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术与信号反射有关的主要参数与信号反射有关的主要参数 信号反射原理信号反射原理n传输线特性阻抗n传输线的长度n数字信号驱动源内阻n负载阻抗n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负载反射系数负载反射系数 决定 负载反射系数负载反射系数Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术信号反射原理信号反射原理 负载反射系数负载反射系数 分析分析n当 = = 时， ，传输线的阻抗是连续的，
54、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。n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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术信号反射原理信号反射原理 负载反射系数负载反射系数 分析分析n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
55、更多的能量，形成反射；n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。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.源反射系数源反射系数 及其分析及其分析高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术信号反射原理信号反射原理 n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，形成二次反射波，此时发射电压的幅值由源反射系数 决定 ；n若 =0，则反射消除。 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.造成信号反射的原因造成信号反射的原因 高速高速PCBPCB设计原
56、理和技术设计原理和技术信号反射原理信号反射原理n源端和负载端的阻抗不匹配n不正确的布线的几何形状、布线的走向和过孔n不正确的线端接n信号经过连接器的传输n电源平面的不连续 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.l信号反射理论信号反射理论l端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术Neusoft Medical Systems Co., Ltd.传输线的两种端接技术传输线的两种端接技术高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术n并行端接：是使负载阻抗与传输线阻抗进行匹配，使得
57、=0，在负载端消除反射信号，从而减少噪声、电磁干扰（EMI）以及射频干扰（RFI）；n串联端接：是使源阻抗与传输线阻抗进行匹配，使得 和 （负载端不加任何匹配），在源端消除由负载端反射回来的二次反射信号； Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术n简单并行端接n戴维宁并行端接n主动并行端接n并行AC端接n二极管并行端接； 并行端接的五种连接方式并行端接的五种连接方式： LVDS（低压差分信号）器件对终端匹配要求更加严格，它不仅要满足单线阻抗匹配，还要满足差分阻抗匹配。对对LVDS器
58、件匹配的要求：器件匹配的要求： Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术简单并行端接：简单并行端接： 该种端接方式是简单地在负载端加入一个下拉电阻 来实现终端匹配。采用简单并行端接的条件：采用简单并行端接的条件： 驱动端（源端）必须能够提供输出高电平时的驱动电流，以保证负载端高电平电压满足门限电压要求简单并行端接的特点：简单并行端接的特点： 在驱动端输出为TTL高电平、端接负载为50条件下，要保证负载端为TTL高电平时，这种并行端接电路要消耗48mA电流。Neusoft Medic
59、al Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术戴维宁并行端接戴维宁并行端接 ： 戴维宁端接即分压器型端接，它采用上拉电阻 和下拉电阻 构成的端接电阻实现终端匹配，并使 戴维宁并行端接的特点：戴维宁并行端接的特点：n降低对源端器件的驱动能力要求；n端接电阻始终吸收电源电流，直流功耗较大；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术主动并行端接主动并行端接 ： 该种端接方式是通过端接电阻 ，将负载端信号拉至偏
60、移电压 主动并行端接的特点：主动并行端接的特点： 需要一个具有吸、灌电流能力的独立电压源，以保证输出电压的跳变速度要求；n如偏移电压为正电压，则输入为逻辑低电平时有直流功率损耗；n如偏移电压为负电压，则输入为逻辑高电平时有直流功率损耗；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术并行并行AC端接端接 ： 该种端接方式是采用串联RC网络作为端接阻抗，其中， ， ，推荐使用 的多层陶瓷电容 并行并行AC端接的特点：端接的特点：n无直流功耗；n有时也会使用电容方式的端接，但信号沿会减缓Neu
61、soft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术二极管并行端接二极管并行端接 ： 该种端接方式是用肖特基二极管或快速开关硅管进行传输线端接。肖特基二极管的正向电压降 （电压范围为0.65V0.75V）将输入信号钳位到 和 之间，从而减小了信号的过冲和下冲。在某些应用中也可以使用一个二极管。 二极管并行端接的条件：二极管并行端接的条件： 二极管的开关速度必须至少比信号上升时间快4倍以上。 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和
62、技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术串行端接串行端接 ： 该种端接方式是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻 （阻值范围1075）来匹配信号源的阻抗，且 ，使得达到轻微过阻尼，抑制二次反射。 串行端接串行端接的优点：的优点：n每条传输线只需要一个端接电阻，不需要与电源连接，功耗小；n当驱动高容性负载时可提供限流作用，减小地弹噪声；串行端接串行端接的缺点：的缺点：n增加RC时间常数，减缓负载端信号的上升时间，因而不适合高频信号通路；n当信号逻辑转换时，由于 的分压作用，在源端会出现半波幅度信号，这种信号在源端与终端之间传递，持续时间为2TD（TD为信号从源端到终端之间的传输延迟），因
63、而在此期间，该传输线不能用来传输其他信号，以免除出现不正确的逻辑态；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术多负载的端接多负载的端接 ： 在单一驱动源驱动多个负载时，需要根据负载情况及电路的布线拓扑结构来确定端接方式和端接数量：n多个负载之间距离较近时的端接方式 n多个负载之间距离较远时的端接方式 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术端接（终端匹配）技术端接（终端匹配）技术不同器件的端接策略不同器件的端接
64、策略 ： 1）对于CMOS工艺的驱动源，由于其输出阻抗较稳定且接近传输线的阻抗，故建议对其采用串行端接方式。2）对于TTL工艺的驱动源，由于在输出逻辑高电平和低电平时，其输出阻抗不同，故建议对其采用戴维宁端接方式。3）对于ECL工艺的驱动源，由于其一般具有很低的输出阻抗，故建议对其采用合适阻值的下拉端接电阻的端接方式。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPC
65、B的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的叠层结构设计的叠层结构设计PCB叠层设计的一般原则叠层设计的一般原则 ： PCB的叠层结构设计是进行信号完整性的分析的基础，建议采用多层设计，设计的一般原则如下：n元件面的下层为地平面，以便为提供器件屏蔽层和为顶层布线提供参考平面；n所有信号层尽可能与地平面相邻；n尽量避免两信号
66、层直接相邻；n主电源尽量与对应地相邻；n兼顾层压结构对称；n无相邻平面布线层；n关键信号与地平面相邻，不跨分割区；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的叠层结构设计的叠层结构设计HyperLynx等仿真软件进行叠层的阻抗分析等仿真软件进行叠层的阻抗分析 ： 在进行叠层设计过程中，需要用HyperLynx等仿真软件叠层编译器对PCB进行叠层设计、修改和阻抗分析，实现对信号反射和信号完整性的控制。 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PC
67、B的叠层结构设计的叠层结构设计四层板叠层设计方案四层板叠层设计方案 ：l方案1：信号层1应走线较多，且包含关键信号，因而将其直接与参考面的地层相邻。从GND层到Power层的阻抗控制芯板不宜过厚，以降低电源以及地平面的分布阻抗，保证电源平面的去藕效果。l方案2，整板无电源平面，只有GND和PGND各占一个平面，适用于多数器件为插件，且走线简单的PCB设计。 （a）方案1 （b）方案2Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的叠层结构设计的叠层结构设计六层板叠层设计方案六层板叠层设计方案 ： （a）方案1 （b）方案
68、2 （c）方案3l方案方案1的优点：的优点：各信号层均有完整的参考层，而且没有信号层相邻，避免了信号之间的串扰，信号层2为最优布线层；电源和地层相邻，电源阻抗减小；l方案方案1的缺点：的缺点：布线层只有三层，对于布线量较大的设计，只能选择其他方案或增加板层；叠层不对称；l方案方案2的优点的优点：可使布线层数达到4层，其中，优选布线层为S1和S2。l方案方案2的缺点的缺点：地电源平面不相邻，增加了电源阻抗。l方案方案3的优点：的优点：电源和地层相邻，减少电源阻抗；可布线层数达到4层；l方案方案3的缺点：的缺点：S1 、S2、S3 、S4全部裸露在外，只有S2 才有较好的参考平面；S1 和S2、S
69、3和S4 信号容易串扰；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的叠层结构设计的叠层结构设计八层板叠层设计方案八层板叠层设计方案 ： （a）方案1 （b）方案2方案1是最佳选择方案，可以做到很好的阻抗控制。方案2的S1和S2为优先布线层，Power1应为主电源。八层板叠层设计方案很多，推荐使用设计方案1和2： Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB的叠层结构设计的叠层结构设计十层板叠层设计方案十层板叠层设计方案 ： （a）方案1 （b
70、）方案2方案1是最佳选择方案，可以做到很好的阻抗控制 方案2适合接插件较多的高速背板设计 十层板叠层设计方案很多，推荐使用设计方案1和2： Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交
71、流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 滤波滤波屏蔽屏蔽 接地接地 搭接搭接 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 滤波滤波 ：用于EMI控制的滤波方法：l去藕电容：在电源接入电路板处，放置若干个 到 的去藕电容，用以滤除低频噪声；在电路板上每个有源器件的电源管脚处，放置若干个 到 的去藕电容，用以滤除高频噪声，所选定的电容应具有较小的寄生电感；lEMI滤波器：是电容和电感的组
72、合；滤除输入/输出到电源线上的高频噪声；l磁性元件：铁氧体磁珠，应用于高频抑制。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 屏蔽屏蔽 ：n屏蔽就是通过使用金属材料或磁性材料把需要屏蔽的区域包围起来，隔断屏蔽体内外的电磁场和电磁波，切断电磁骚扰的传播路径。n屏蔽作用的评定指标： 用屏蔽效能SE（单位dB）评价屏蔽作用，屏蔽效能SE为n电磁屏蔽方法：采用厚度约为0.20.8mm的铜、铁、铝、镀锌板金属材料机箱；采用含有高导电率金属粉的导电塑料，或在表面喷涂导电箔膜的工程塑料；采用导电衬垫、金属丝网、截止
73、波导管、截止波导通风板、导电玻璃视窗等材料密封机箱孔缝，防止电磁波严重泄漏；其中用于电磁密封的导电衬垫种类有：金属丝网衬垫、导电橡胶、指行簧片、螺旋管衬垫、导电布等。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 接地接地 ： 地为电路或系统的零点位参考点，它可以是产品的金属外壳或接地平面。实际的地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时，地线上会产生压降。接地目的接地目的：n使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零点位，保证电路系统能稳定地工作；n防止外界电磁场的干扰，起到静电泄放和电磁屏蔽的效果
74、；n保证人身和设备安全。当雷击产生电磁感应时，可避免电子设备损坏；当交流输入电源直接与机壳相通时，可避免人员触电事故发生。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 接地类型接地类型 ： n悬浮地：悬浮地：容易产生静电积累和静电放电，很少采用。n单点接地：单点接地：要求每个电路只接地一次，并且接在同一个点，因此没有地回路存在，也就没有干扰问题；n多点接地：多点接地：每条接地线很短（高频时，其长度为信号波长的1/20），且多根导线并联降低了导线总电阻，故多点接地可提供较低的接地阻抗，设备内电路都以机壳
75、为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。n混合接地：混合接地：既满足系统内电源需要单点接地，又满足射频信号需要多点接地的要求。对于直流，电路是单点接地；对于射频，电路是多点接地。Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电磁兼容设计电磁兼容设计 搭接搭接 ： 搭接是指电子设备中各个金属部件之间低阻抗连接。搭接的形式：搭接的形式：电缆屏蔽层与机箱之间的搭接；屏蔽体上不同部分之间的搭接；滤波器与机箱之间的搭接；不同机箱之间的地线搭接；搭接连接条的形式：搭接连接条的形式：Neusoft Medical Systems Co.
76、, Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 仿真模型建立仿真模型建立前仿真前仿真L
77、ineSim后仿真后仿真BoardSimNeusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 信号完整性仿真模型信号完整性仿真模型nIBIS （I/O Buffer Information Specification ）模型：通常使用nHSPICE 模型：高频器件使用nPML（HyperLynx full package model）模型nMOD（HyperLynx databook model）模型Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技
78、术PCB设计仿真设计仿真 IBIS 的的IC模型的建立模型的建立n利用HyperLynx提供的IBIS库n从IC Verdor网站下载nIBIS 编译器对IBIS 文件品质的检验表格数据浏览图形化的表格数据浏览Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 Databook 的的IC模型建立模型建立当找不到IBIS 的IC 模型时，可以通过输入IC 供应商提供的输出和输入缓冲器的数据手册参数，利用HyperLynx 提供的MOD 模型自动生成。l输出模型需要的输出模型需要的Databook 参数参数Neu
79、soft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 Databook 的的IC模型建立模型建立当找不到IBIS 的IC 模型时，可以通过输入IC 供应商提供的输出和输入缓冲器的数据手册参数，利用HyperLynx 提供的MOD 模型自动生成。l输入模型需要的输入模型需要的Databook 参数参数Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 仿真模型建立仿真模型建立前仿真前仿真LineSim后仿真后仿真BoardSimNeu
80、soft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真目的：1）解决“what-if”的信号完整性和EMC问题； 2）制定高速网络的布线约束规则解决问题信号的方法：解决问题信号的方法：lTechnology（工艺）减慢驱动IC 的开关速度（难做到）lTopology（拓扑）减小布线的长度到临界范围内或更短。lTermination（端接）使用无源器件匹配走线末端的特性阻抗到Z0Neusoft Medical Systems Co., Ltd.-信号完整性SI问题高速高
81、速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真Topology（拓扑）执行传输线（走线）长度延迟不超过驱动端开关速率的1/6原则L(Slew Rate(ns)信号在信号在FR-4 板材传输速度板材传输速度 (in/ns)/6= (Slew Rate (ns)5.8 (in/ns)/6Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真Termination（端接）串联端接Rt = Z0 -
82、ZdRt = 串行端接电阻阻值（欧姆）Z0 = 传输线的特性阻抗值Zd = 驱动端的输出阻抗-信号完整性SI问题Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真SI解决之后要考虑EM问题：信号的基频辐射值超过了FCC 和CISPR 的Class B 的标准限制-EMI问题Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真
83、Termination（端接）串联端接Topology（拓扑）执行传输线（走线）长度延迟不超过驱动端开关速率的1/6原则-EMI问题Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真-有损传输线模型l从现象上看，损耗通过衰减电压幅值和软化信号边沿引起信号的失真。最终结果经常是增加了信号延迟。l从物理上讲，损耗是由于PCB 走线和周围的介质材料的发热而引起的。l在高频情况下，损耗将更加严重，所以对于边沿较陡的器件损耗将更严重Neusoft Medical Sy
84、stems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真 -LineSim 串扰分析：对并行走线的布线约束条件解决串扰的措施：解决串扰的措施：采用驱动IC 的技术和端接，改变线间距、线宽、线长、PCB 叠层顺序以及介质的厚度Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用LineSim进行布线前仿真进行布线前仿真 -LineSim 串扰分析：对并行走线的布线约束条件采用降低串扰措施的效果：采用降低串扰措
85、施的效果：在Aggressor源端采用串联端接（最有效方法）；增加线间距；加宽线宽；减小线长；减小PCB介质的厚度Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 仿真模型建立仿真模型建立前仿真前仿真LineSim后仿真后仿真BoardSimNeusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析解决解决SI/PI和和EMI的措施：的措施：Board
86、Sim 端接分析BoardSim 层叠分析BoardSim 串扰分析BoardSim 板级分析BoardSim 差分和GHz 仿真Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：lBoardSim 关键信号端接向导关键信号端接向导修改AC并行端接的RC数值Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计
87、仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：lBoardSim 关键信号串扰向导关键信号串扰向导查找串扰路径，取得推荐的参数导出到LineSim（或HSPICE、ICX、XTK、ePlanner等）仿真器中进行详细的解决Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：l板级仿真向导：板级仿真向导：输出快
88、速仿真分析检查报告，高效地查找信号完整性和EMC 等问题输出关键信号详细仿真检查报告，根据用户定义的规则约束，对被选择的网络进行详细的仿真.CSV网络数据文件和.SDF管脚延时文件Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：l过孔效果：增加了信号延迟过孔效果：增加了信号延迟Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和
89、技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：l通过串扰向导差分对阻抗的仿真通过串扰向导差分对阻抗的仿真Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术PCB设计仿真设计仿真 使用使用BoardSim进行布线后仿真进行布线后仿真 -SI/PI和EMI分析采用的采用的SI/PI和和EMI措施：措施：l眼图对眼图对1GIO的仿真的仿真Neusoft Medical Systems Co., Ltd.基本概念基本概念 信号完整性分析
90、及解决方法信号完整性分析及解决方法 电源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传输线理论及特征阻抗控制 反射理论及端接技术反射理论及端接技术 PCBPCB的叠层结构设计的叠层结构设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 PCBPCB设计仿真设计仿真 高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术交流内容：交流内容：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术电源和地平面处理电源和地平面处理高速时钟和高速信号处理高速时钟和高速信号处理混合信号混合信号PCB分区设计
91、分区设计器件处理器件处理高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 电源和地平面处理（电源和地平面处理（1）：）：l数字电源和模拟电源各自独立，减低SSN对模拟电路的影响；l电源层和地层尽量接近，以降低电源与地之间的特征阻抗；l禁止在地层布线，以保证地平面的完整性；l尽量加粗地线，并且除传输信号的印制线以外，其余部分敷铜全作为地线，以降低噪声对地阻抗，抑制高频辐射噪声；l在多层高速PCB板的周边及较空余的地方放置大量的GND过孔，以减少各层G
92、ND之间的阻抗；Neusoft Medical Systems Co., Ltd.电源和地平面处理（电源和地平面处理（2）：）：l20-H准则：GND层板边缘大于Power层板边缘20倍层间距，以降低磁力线外漏，防止电磁辐射现象发生；l不要集中打过孔，以免造成地平面的不完整；高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l晶振/时钟芯片底部不要布线，且要加地敷铜以防止串扰；l每个同步芯片应有独立的
93、时钟驱动，不选择双向驱动芯片（如245）作为时钟驱动芯片，以免引起时钟相位抖动；l包地处理：对于高速的时钟或者高速信号线，可以布在两个相邻的GND层之间或者相邻的GND与Power之间，即带状线类型，同时在信号线周围用地线GND加布防护带；高速时钟和高速信号处理（高速时钟和高速信号处理（1） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l如果空间允许，在两条平行线之间加一条地线，以防止信号串扰；lCLK或其他高速信号不要跨接不同的参考层分区，以保证整条传输线有一个稳定的参考平面和稳
94、定的传输线特征阻抗。当这种要求无法保证时，需要在跨区处的两个参考层上串联一个电容，为高速信号线提供回流路径；l减少高速信号的换层布线次数，以减少传输线过孔数量和参考平面的稳定性。当这种要求无法保证时，可以在过孔处打一些GND过孔，以便提供一个畅通的回流路径；lFPGA的PLL专用引脚需要使用独立的电源，以减少向其他电源引入谐波噪声；高速时钟和高速信号处理（高速时钟和高速信号处理（2） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l同一差分线对布在同一层，平行等长，线对之间不要增加G
95、ND布线、铜皮或过孔；不同的差分线对之间用地隔开，或走在不同层上； l差分线布局及其影响高速时钟和高速信号处理（高速时钟和高速信号处理（3） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l混合信号电路板上的数字地和模拟地分开，在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线，且要保证不能跨越分割线间隙布线，否则会形成大的地电流回路，引起电磁辐射和信号串扰。混合信号混合信号PCB分区设计分区设计 （1） ：Neusoft Medical Sy
96、stems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l在无法保证不跨越分割线间隙布线情况下，可以在模拟地和数字地之间通过连接桥进行单点连接，然后通过该连接桥进行布线，使得为每个信号线都能提供一个直接的电流回路，达到最小的地电流回路；混合信号混合信号PCB分区设计分区设计 （2） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l在A/D转换器芯片下方，通过连接桥将模拟地和数字地连接在一起，且连接桥宽度与A/D芯片等宽；
97、混合信号混合信号PCB分区设计分区设计 （3） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l如果系统A/D转换器较多，可以划分模拟部分和数字部分，但使用统一地平面，这样的布局和布线可即满足对模拟地和数字地的低阻抗连接到要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题；混合信号混合信号PCB分区设计分区设计 （4） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 l在
98、必须跨越分区间隙布线的情况下，可以采用光隔离器件或变压器跨接模拟地和数字地的放置方式，也可以使用不需要地作为回流路径的差分信号形式，来实现跨区布线； 混合信号混合信号PCB分区设计分区设计 （5） ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术高速电路设计经验分享高速电路设计经验分享 lBGA焊盘区均应覆盖绿油；lBGA封装的元器件避免放置在较大型PCB正中间，以免PCB受力形变导致BGA焊盘开焊；l窄间距IC引线的焊盘之间应覆盖绿油，且焊盘之间不能用短线直接相连。l元件面上的两个电感不要平行靠近放置，以免形成变压器效应，产生串扰；器件处理器件处理 ：Neusoft Medical Systems Co., Ltd.高速高速PCBPCB设计原理和技术设计原理和技术ThanksNeusoft Medical Systems Co., Ltd.
