高速电路板的设计方法

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1、高速电路板的设计方法0推荐高速电路板的设计方法引言当今对于系统的设计来说，最重要的因素就是速度。我们通常采用的是66MHz~200MHz的处理器，233MHz和266MHz处理器的应用也越来越广泛。提出高速要求的原因有两个：一、要求系统在人们认为适合的时间帧中完成复杂的任务。比如说，即使是最基本的计算机动画制作也需要通过处理大量的信息才能够完成。二、元件厂商能够生产出高速器件。目前，可编程阵列逻辑（PAL®）器件可提供的传输延迟是4.5ns，而复杂的PLD（如MACH®）的传输延迟是5ns，这似乎是快速的，但并不是传输延迟造成的，其实快速

2、的传输延迟是由快速的边沿速率获得的。将来会出现速度更快的器件，可以提供相对更快速的边沿速率。高速系统的设计不仅需要借助快速的元件，而且需要精心的设计。器件的模拟部分和数字部分同等重要。高速系统存在的主要问题是噪音的产生，高频能够辐射并造成干扰，相应的快速边沿速率可能会产生振荡、反射和串扰现象，如果不能及时检查出来，这种噪音可能会大大地降低系统的性能。本文对利用PC板布局实现高速系统的设计进行了概述，主要内容包括：²电源分布系统及其对供膳寄宿处产生的影响；²传输线路以及相关的设计规则；²串扰的产生和消除；²电磁干扰1.电源分布电源分布网络是

3、高速电路板设计中最重要的考虑因素。无噪音的电路板必需无噪音的电源分布网络。注意，设计无噪声的VCC和无噪声的地一样重要。本文主要论述的是AC用途，因此VCC就是地。电源分布网络还必须为电路板上所有信号提供返回路径。由于返回路径的作用在低频时不很明显，所以常常被忽视，而许多设计即使在返回路径的特性被忽视的情况下也能运行。1.1.电源分布网络作为电源1.1.1.阻抗的作用假设有一块带有数字IC和+5.0V电源的电路板，规格为5"x5"，目的是将+5.0V电压正确地传递到电路板上每个器件的电源引脚，而不用考虑器件相对于电源的位置。另外，引脚处的

4、电压是不受线路噪音影响的。具有这些特征的电源示意地表示为理想的电压源（见图1a），其阻抗为零，这可以保证负载和源电压相等，也意味着噪音信号会被吸收，原因是噪音发生器的源阻抗是有限的。遗憾的是，这只是一种理想的情况。图1b举例说明了真实电源的情况，它有电阻、电感和电容形式的阻抗，分布在电源分布网络。噪音信号可能会因为网络中的阻抗而影响电压的增加。设计的目标是要尽可能减小电源分布网络的阻抗，具体可通过电源总线和电源层两种方案来实现。虽然电源层的阻抗特性比电源总线好，但是实际考虑时可能更倾向于电源总线方法。图1.电源a)理想的情况；b)更现实的

5、情况1.1.2.电源总线与电源层的比较图2展示了两种电源分布方案。总线系统（图2a）由一组线迹和系统器件要求的不同电压电平构成，逻辑上通常是+5V和地线，各电压电平要求的线迹数量随系统的不同而变化。电源层系统（图2b）由覆盖了金属的完整层（或者是层段）构成，各电压电平都要求有独立的层，金属中唯一的间隙是用来放置引脚和信号馈通的。早期主要出于费用方面的考虑，主要采用电源总线方案。电源总线与信号线在同一层面上。必须由电源总线为所有器件提供电源，其他的空间用于走信号线，电源总线呈长长的窄带状，因而在相对小的截面积上会产生小的电阻。虽然电阻比较小

6、，但非常重要。即使是小电路板，也能容纳20-30个器件。假如20个器件的电路板上的每个器件吸收200mA的电流，那么总电流将是4A，0.125Ω的总线电阻将产生0.5V的电压降，假设电源是5V，则总线上最后一个器件只可能接收4.5V。因为电源层填充了整个层，所以唯一的限制是电路板的大小。电源层的电阻对于提供相同器件数量的电源总线上的电阻来说，只是很小的一部分，因此与电源总线比较起来，电源层更可能为所有器件提供全部的能量。在电源总线方案中，电流被限制在由总线定义的路径上。高速器件产生的线路噪音会影响电源总线上的其它器件。在图2a所示的电路板

7、上，U9产生的噪音通过总线传至U7。而在电源层方案中，由于电流路径不受限制，因此噪音电流是分布式的，再加之阻抗较低，使电源层受噪音的影响比电源总线小。图2.电源分布系统a)电源总线；b)电源层1.1.3.线路噪音的滤波电源层单独无法消除线路噪音，既然所有的系统都会遇到噪音问题，那么不管采用何种电源分布方案，都需要借助旁路电容来进行滤波。通常情况下，1μF~10μF电容放置在电路板的电源输入上，而0.01μF~0.1μF电容则放置在电路板的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上。这里旁路电容充当的是滤波器的角色。大电容（≈10μF）放置在电路板

8、的电源输入上，用以滤波通常由电路板外产生的较低频信号（比如60Hz线路频率）。电路板上有源器件产生的噪音谐波范围在100MHz以上。每个芯片上放置的旁路电容（0.1μF）通常比电路板间的电容小