PCB(print circuit board，印(yin)制電(dian)路板(ban))是電(dian)子產品中電(dian)路元件(jian)和(he)器(qi)件(jian)的基本(ben)支(zhi)撐件(jian)，其(qi)設(she)計質(zhi)量(liang)往往直接影響嵌入式(shi)系統的可靠性(xing)和(he)兼(jian)容(rong)性(xing)。以往，一些低速電(dian)路板(ban)中，時鐘頻率(lv)一般只有10 MHz左右，電(dian)路板(ban)或封裝設(she)計的主要挑戰就是如何在(zai)雙層(ceng)板(ban)上布通(tong)所有的信號線(xian)以及如何在(zai)組裝時不破壞(huai)封裝。

由于互(hu)連(lian)(lian)線不(bu)曾影響(xiang)系統(tong)性能，所以互(hu)連(lian)(lian)線的電氣特性并不(bu)重(zhong)要。在這種(zhong)意(yi)義下對信(xin)(xin)號低速電路(lu)板中的互(hu)連(lian)(lian)線是(shi)暢通(tong)透明的。但是(shi)隨(sui)著(zhu)嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)的發展，采用的電路(lu)基本上都是(shi)高頻電路(lu)，由于時鐘頻率(lv)的提(ti)高，信(xin)(xin)號上升(sheng)沿也變短，印(yin)制電路(lu)對經過(guo)信(xin)(xin)號產生的容抗(kang)和感抗(kang)將遠(yuan)遠(yuan)大于印(yin)制電路(lu)本身(shen)的電阻，嚴重(zhong)影響(xiang)信(xin)(xin)號的完(wan)整(zheng)性。對于嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)，當時鐘頻率(lv)超(chao)過(guo)100 MHz或上升(sheng)沿小于1 ns時，信(xin)(xin)號完(wan)整(zheng)性效(xiao)應就變得重(zhong)要了。

在PCB中，信(xin)(xin)(xin)號(hao)線是信(xin)(xin)(xin)號(hao)傳輸的(de)(de)(de)主要載體，信(xin)(xin)(xin)號(hao)線的(de)(de)(de)走線情況將直(zhi)接決定信(xin)(xin)(xin)號(hao)傳輸的(de)(de)(de)優越，從而直(zhi)接影(ying)響整個嵌(qian)(qian)入式的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。不合理的(de)(de)(de)布(bu)線，將嚴重引(yin)發多(duo)種信(xin)(xin)(xin)號(hao)完(wan)(wan)整性(xing)的(de)(de)(de)問(wen)題，對(dui)(dui)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)產生(sheng)時序、噪聲(sheng)和電(dian)(dian)(dian)磁干擾(rao)(EMI)等，將嚴重影(ying)響嵌(qian)(qian)入式的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。對(dui)(dui)此，本文從高(gao)速數(shu)字電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中信(xin)(xin)(xin)號(hao)線的(de)(de)(de)實際(ji)電(dian)(dian)(dian)氣特性(xing)出發，建立電(dian)(dian)(dian)氣特性(xing)模(mo)型，尋找影(ying)響信(xin)(xin)(xin)號(hao)完(wan)(wan)整性(xing)的(de)(de)(de)主要原(yuan)因(yin)及解決問(wen)題的(de)(de)(de)方(fang)法，給(gei)出布(bu)線中應該注意的(de)(de)(de)問(wen)題和遵(zun)循的(de)(de)(de)方(fang)法和技巧(qiao)。

信號完整性

信號(hao)(hao)完整(zheng)性(xing)是(shi)指信號(hao)(hao)在(zai)(zai)信號(hao)(hao)線上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量，即信號(hao)(hao)在(zai)(zai)電(dian)(dian)路中能以正確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時序和電(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)平(ping)作出(chu)響應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能力，信號(hao)(hao)具有良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號(hao)(hao)完整(zheng)性(xing)是(shi)指在(zai)(zai)需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時候具有所必需(xu)達(da)到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)平(ping)數值(zhi)。差的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信號(hao)(hao)完整(zheng)性(xing)不(bu)是(shi)由某一單一因(yin)素導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，而是(shi)板級設計(ji)中多(duo)種因(yin)素共同(tong)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。信號(hao)(hao)完整(zheng)性(xing)問題體現在(zai)(zai)很多(duo)方面，主要(yao)包括延(yan)遲(chi)、反(fan)射(she)、串擾、過沖、振蕩(dang)、地彈等(deng)。

延(yan)遲(chi)(Delay)：延(yan)遲(chi)是(shi)指信(xin)號(hao)(hao)在PCB板的(de)傳(chuan)輸線(xian)上以有(you)限的(de)速(su)度傳(chuan)輸，信(xin)號(hao)(hao)從(cong)發送(song)端發出到達(da)接收端，其間存在一個傳(chuan)輸延(yan)遲(chi)。信(xin)號(hao)(hao)延(yan)遲(chi)會對(dui)嵌入(ru)式的(de)時(shi)(shi)序產生(sheng)影(ying)響;傳(chuan)輸延(yan)遲(chi)主要取決于導線(xian)的(de)長度和導線(xian)周圍介質(zhi)的(de)介電(dian)常數。在高速(su)數字系統中，信(xin)號(hao)(hao)傳(chuan)輸線(xian)長度是(shi)影(ying)響時(shi)(shi)鐘(zhong)脈(mo)沖相(xiang)(xiang)位(wei)差的(de)最直接因(yin)素，時(shi)(shi)鐘(zhong)脈(mo)沖相(xiang)(xiang)位(wei)差是(shi)指同時(shi)(shi)產生(sheng)的(de)兩(liang)個時(shi)(shi)鐘(zhong)信(xin)號(hao)(hao)到達(da)接收端的(de)時(shi)(shi)間不同步。時(shi)(shi)鐘(zhong)脈(mo)沖相(xiang)(xiang)位(wei)差降低了信(xin)號(hao)(hao)沿到達(da)的(de)可預測性，如果時(shi)(shi)鐘(zhong)脈(mo)沖相(xiang)(xiang)位(wei)差太大，會在接收端產生(sheng)錯(cuo)誤的(de)信(xin)號(hao)(hao)。

反(fan)(fan)射(she)(she)(Reflection)：反(fan)(fan)射(she)(she)就是信(xin)號(hao)在信(xin)號(hao)線上(shang)的(de)(de)回波。當(dang)信(xin)號(hao)延遲時間(jian)遠大(da)于信(xin)號(hao)跳變(bian)時間(jian)時，信(xin)號(hao)線必須當(dang)作傳(chuan)輸(shu)線。當(dang)傳(chuan)輸(shu)線的(de)(de)特性阻抗與(yu)負載阻抗不匹(pi)配時，信(xin)號(hao)功率(電(dian)壓或電(dian)流(liu))的(de)(de)一部(bu)分傳(chuan)輸(shu)到線上(shang)并到達(da)負載處，但是有一部(bu)分被反(fan)(fan)射(she)(she)了。若負載阻抗小于原阻抗，反(fan)(fan)射(she)(she)為負;反(fan)(fan)之，反(fan)(fan)射(she)(she)為正(zheng)。布線的(de)(de)幾何形狀、不正(zheng)確的(de)(de)線端(duan)接、經(jing)過連(lian)接器的(de)(de)傳(chuan)輸(shu)及電(dian)源平面不連(lian)續(xu)等(deng)因素的(de)(de)變(bian)化均會導致此類反(fan)(fan)射(she)(she)。

串擾(rao)(rao)(rao)(Crosstalk)：串擾(rao)(rao)(rao)是(shi)兩條信(xin)號線之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)耦(ou)合(he)(he)(he)、信(xin)號線之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)互感和互容引(yin)起信(xin)號線上(shang)的(de)(de)(de)噪聲(sheng)。容性耦(ou)合(he)(he)(he)引(yin)發(fa)耦(ou)合(he)(he)(he)電(dian)流(liu)，而感性耦(ou)合(he)(he)(he)引(yin)發(fa)耦(ou)合(he)(he)(he)電(dian)壓。串擾(rao)(rao)(rao)噪聲(sheng)源于信(xin)號線網之(zhi)(zhi)間(jian)、信(xin)號系統和電(dian)源分布系統之(zhi)(zhi)間(jian)、過孔之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)電(dian)磁耦(ou)合(he)(he)(he)。串繞(rao)有(you)可能引(yin)起假時鐘、間(jian)歇性數據錯誤(wu)等(deng)，對鄰近信(xin)號的(de)(de)(de)傳(chuan)輸質量(liang)造成影(ying)響(xiang)。現(xian)實中(zhong)，無法(fa)完(wan)全消除(chu)串擾(rao)(rao)(rao)，但可將其控制在(zai)系統所能承受的(de)(de)(de)范圍之(zhi)(zhi)內。PCB板層(ceng)的(de)(de)(de)參數、信(xin)號線間(jian)距、驅動(dong)端(duan)和接(jie)收端(duan)的(de)(de)(de)電(dian)氣特性、基線端(duan)接(jie)方式對串擾(rao)(rao)(rao)都有(you)一定的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。

過(guo)沖(Overshoot)和下沖(Undershoot)：過(guo)沖就(jiu)是第一個峰值(zhi)或谷(gu)值(zhi)超(chao)過(guo)設(she)定電(dian)(dian)(dian)壓，對于上(shang)升沿(yan)，是指(zhi)(zhi)最高電(dian)(dian)(dian)壓;對于下降沿(yan)，是指(zhi)(zhi)最低電(dian)(dian)(dian)壓。下沖是指(zhi)(zhi)下一個谷(gu)值(zhi)或峰值(zhi)超(chao)過(guo)設(she)定電(dian)(dian)(dian)壓。過(guo)分的過(guo)沖能(neng)夠引起(qi)(qi)保護二極管工作(zuo)，導致(zhi)其過(guo)早的失效。過(guo)分的下沖能(neng)夠引起(qi)(qi)假的時鐘或數據錯誤(wu)(誤(wu)操作(zuo))。

振(zhen)(zhen)蕩(Ringing)和環繞(rao)(rao)振(zhen)(zhen)蕩(Rounding)：振(zhen)(zhen)蕩現象(xiang)是(shi)反復出現的(de)過(guo)(guo)沖和下沖。信號的(de)振(zhen)(zhen)蕩即(ji)是(shi)由線(xian)上過(guo)(guo)渡(du)的(de)電感(gan)和電容(rong)引起(qi)的(de)振(zhen)(zhen)蕩，屬于欠阻尼(ni)狀態，而環繞(rao)(rao)振(zhen)(zhen)蕩，屬于過(guo)(guo)阻尼(ni)狀態。振(zhen)(zhen)蕩和環繞(rao)(rao)振(zhen)(zhen)蕩同反射一(yi)樣(yang)也(ye)是(shi)由多種因素引起(qi)的(de)，振(zhen)(zhen)蕩可以通過(guo)(guo)適(shi)當(dang)的(de)端接予(yu)以減小，但是(shi)不可能完(wan)全消除。

地電(dian)(dian)平反彈噪聲(sheng)和(he)回(hui)流(liu)噪聲(sheng)：當(dang)電(dian)(dian)路中有較大(da)(da)(da)的(de)電(dian)(dian)流(liu)涌(yong)動時會(hui)引起地電(dian)(dian)平反彈噪聲(sheng)，如(ru)大(da)(da)(da)量芯片(pian)的(de)輸出(chu)同時開(kai)啟(qi)時，將有一個較大(da)(da)(da)的(de)瞬態電(dian)(dian)流(liu)在芯片(pian)與(yu)板的(de)電(dian)(dian)源平面流(liu)過，芯片(pian)封(feng)裝與(yu)電(dian)(dian)源平面的(de)電(dian)(dian)感和(he)電(dian)(dian)阻會(hui)引發電(dian)(dian)源噪聲(sheng)，這(zhe)樣會(hui)在真正(zheng)的(de)地平面上產生電(dian)(dian)壓波(bo)動和(he)變化，這(zhe)個噪聲(sheng)會(hui)影響(xiang)其(qi)他元件的(de)動作。負載電(dian)(dian)容的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，負載電(dian)(dian)阻的(de)減(jian)小，地電(dian)(dian)感的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，同時開(kai)關器件數目的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加均會(hui)導致(zhi)地彈的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)。

傳輸(shu)通道電氣(qi)特性分析

在(zai)(zai)(zai)多(duo)層PCB中，絕(jue)大部分傳(chuan)輸(shu)線(xian)不(bu)僅(jin)只布(bu)置在(zai)(zai)(zai)單(dan)個(ge)(ge)層面(mian)上，而是在(zai)(zai)(zai)多(duo)個(ge)(ge)層面(mian)上交錯布(bu)置，各(ge)層面(mian)間通(tong)過過孔(kong)進行連接(jie)(jie)。所以(yi)，在(zai)(zai)(zai)多(duo)層PCB中，一條(tiao)典型(xing)的傳(chuan)輸(shu)通(tong)道主(zhu)要包括(kuo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)、走線(xian)拐角、過孔(kong)3個(ge)(ge)部分。在(zai)(zai)(zai)低頻(pin)情況下(xia)(xia)，印制線(xian)和走線(xian)過孔(kong)可(ke)以(yi)看成普通(tong)的連接(jie)(jie)不(bu)同器件(jian)管腳的電氣連接(jie)(jie)，對信(xin)號質(zhi)量不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)太大影響(xiang)。但(dan)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)頻(pin)情況下(xia)(xia)，印制線(xian)、拐角和過孔(kong)就不(bu)能僅(jin)考慮其連通(tong)性(xing)，還應考慮其高(gao)(gao)頻(pin)時電氣特性(xing)和寄生(sheng)參數的影響(xiang)。

高速PCB中傳輸線的電氣特性分析

在(zai)高速PCB設計中，不可避(bi)免地要(yao)(yao)使用大(da)量的(de)信號(hao)連接(jie)(jie)線(xian)，且長短(duan)不一，信號(hao)經過連接(jie)(jie)線(xian)的(de)延遲時間(jian)(jian)與信號(hao)本身的(de)變化時間(jian)(jian)相比已經不能忽略，信號(hao)以電(dian)(dian)磁波的(de)速度在(zai)連接(jie)(jie)線(xian)上傳輸，此(ci)時的(de)連接(jie)(jie)線(xian)是帶有電(dian)(dian)阻、電(dian)(dian)容、電(dian)(dian)感的(de)復雜網(wang)絡，需要(yao)(yao)用分布(bu)參數系統模(mo)型(xing)來(lai)描述，即傳輸線(xian)模(mo)型(xing)。

傳(chuan)輸線(xian)(xian)用于將信(xin)號從(cong)一端傳(chuan)輸到另一端，由2條(tiao)有一定(ding)長度(du)的(de)導(dao)線(xian)(xian)組(zu)成(cheng)，一條(tiao)稱(cheng)(cheng)為(wei)信(xin)號路徑，一條(tiao)稱(cheng)(cheng)為(wei)返回路徑。在(zai)(zai)低(di)頻(pin)電(dian)(dian)路中，傳(chuan)輸線(xian)(xian)的(de)特性(xing)(xing)(xing)表現為(wei)純(chun)電(dian)(dian)阻電(dian)(dian)氣特性(xing)(xing)(xing)。在(zai)(zai)高(gao)速PCB中，隨著(zhu)傳(chuan)輸信(xin)號頻(pin)率的(de)增加，導(dao)線(xian)(xian)間的(de)容(rong)性(xing)(xing)(xing)阻抗(kang)減小，導(dao)線(xian)(xian)上感性(xing)(xing)(xing)阻抗(kang)增加，信(xin)號線(xian)(xian)將不(bu)(bu)再只表現為(wei)純(chun)電(dian)(dian)阻，即信(xin)號將不(bu)(bu)僅在(zai)(zai)導(dao)線(xian)(xian)上傳(chuan)輸，而且也會在(zai)(zai)導(dao)體間的(de)介質中傳(chuan)播(bo)。如果(guo)信(xin)號頻(pin)率進一步(bu)增加，當jωL R，1/(jωC)

對于(yu)均勻導線，在(zai)不(bu)考慮外(wai)部環境變化的情況(kuang)下，電阻R、傳輸線寄生電感L和寄生電容(rong)C平均分布(即L1=L2=…=Ln;C1=C2=…=Cn+1)。假設傳輸線為(wei)無損傳輸線，即R=0時，若取線參數：單(dan)(dan)位長(chang)度(du)電容(rong)C1、單(dan)(dan)位長(chang)度(du)電感量(liang)L1和傳輸線的總長(chang)度(du)為(wei)Len，則有：

布(bu)線技巧提(ti)高嵌入式系統PCB的(de)信號(hao)完(wan)整性是一個很實用的(de)技巧，希望大家能夠掌握。

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