【導(dǎo)讀】隨著電子技術(shù)快速發(fā)展,以及無(wú)線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,高頻、高速、高密度已逐步成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的顯著發(fā)展趨勢(shì)之一。信號(hào)傳輸高頻化和高速數(shù)字化,迫使PCB走向微小孔與埋/盲孔化、導(dǎo)線精細(xì)化、介質(zhì)層均勻薄型化,高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。作者根據(jù)多年在硬件設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)一些高頻電路的設(shè)計(jì)技巧及注意事項(xiàng),供大家參考。
隨著電子技術(shù)快速發(fā)展,以及無(wú)線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,高頻、高速、高密度已逐步成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的顯著發(fā)展趨勢(shì)之一。信號(hào)傳輸高頻化和高速數(shù)字化,迫使PCB走向微小孔與埋/盲孔化、導(dǎo)線精細(xì)化、介質(zhì)層均勻薄型化,高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。作者根據(jù)多年在硬件設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)一些高頻電路的設(shè)計(jì)技巧及注意事項(xiàng),供大家參考。
1、如何選擇PCB 板材?
選擇PCB 板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的PCB 板子(大于GHz 的頻率)時(shí)這材質(zhì)問(wèn)題會(huì)比較重要。例如,現(xiàn)在常用的FR-4 材質(zhì),在幾個(gè)GHz 的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會(huì)對(duì)信號(hào)衰減有很大的影響,可能就不合用。就電氣而言,要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。
2、如何避免高頻干擾?
避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾,也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)??捎美蟾咚傩盘?hào)和模擬信號(hào)之間的距離,或加ground guard/shunt traces 在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。
3、在高速設(shè)計(jì)中,如何解決信號(hào)的完整性問(wèn)題?
信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問(wèn)題。而影響阻抗匹配的因素有信號(hào)源的架構(gòu)和輸出阻抗(output impedance),走線的特性阻抗,負(fù)載端的特性,走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。
4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的?
差分對(duì)的布線有兩點(diǎn)要注意,一是兩條線的長(zhǎng)度要盡量一樣長(zhǎng),另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變,也就是要保持平行。平行的方式有兩種,一為兩條線走在同一走線層(side-by-side),一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者side-by-side(并排,并肩) 實(shí)現(xiàn)的方式較多。
5、對(duì)于只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)線,如何實(shí)現(xiàn)差分布線?
要用差分布線一定是信號(hào)源和接收端也都是差分信號(hào)才有意義。所以對(duì)只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)是無(wú)法使用差分布線的。
6、接收端差分線對(duì)之間可否加一匹配電阻?
接收端差分線對(duì)間的匹配電阻通常會(huì)加,其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號(hào)質(zhì)量會(huì)好些。
7、為何差分對(duì)的布線要靠近且平行?
對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值,此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐3植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近,差分阻抗就會(huì)不一致,就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
8、如何處理實(shí)際布線中的一些理論沖突的問(wèn)題?
基本上,將模/數(shù)地分割隔離是對(duì)的。要注意的是信號(hào)走線盡量不要跨過(guò)有分割的地方(moat),還有不要讓電源和信號(hào)的回流電流路徑(returning current path)變太大。
晶振是模擬的正反饋振蕩電路,要有穩(wěn)定的振蕩信號(hào),必須滿足loop gain 與phase 的規(guī)范,而這模擬信號(hào)的振蕩規(guī)范很容易受到干擾,即使加ground guard traces 可能也無(wú)法完全隔離干擾。而且離的太遠(yuǎn),地平面上的噪聲也會(huì)影響正反饋振蕩電路。所以,一定要將晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。
確實(shí)高速布線與EMI 的要求有很多沖突。但基本原則是因EMI 所加的電阻電容或ferrite bead,不能造成信號(hào)的一些電氣特性不符合規(guī)范。所以,最好先用安排走線和PCB 迭層的技巧來(lái)解決或減少EMI的問(wèn)題,如高速信號(hào)走內(nèi)層。最后才用電阻電容或ferrite bead 的方式,以降低對(duì)信號(hào)的傷害。
9、如何解決高速信號(hào)的手工布線和自動(dòng)布線之間的矛盾?
現(xiàn)在較強(qiáng)的布線軟件的自動(dòng)布線器大部分都有設(shè)定約束條件來(lái)控制繞線方式及過(guò)孔數(shù)目。各家EDA公司的繞線引擎能力和約束條件的設(shè)定項(xiàng)目有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。例如,是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式,能否控制差分對(duì)的走線間距等。這會(huì)影響到自動(dòng)布線出來(lái)的走線方式是否能符合設(shè)計(jì)者的想法。另外,手動(dòng)調(diào)整布線的難易也與繞線引擎的能力有絕對(duì)的關(guān)系。例如,走線的推擠能力,過(guò)孔的推擠能力,甚至走線對(duì)敷銅的推擠能力等等。所以,選擇一個(gè)繞線引擎能力強(qiáng)的布線器,才是解決之道。
10、關(guān)于test coupon。
test coupon 是用來(lái)以TDR (Time Domain Reflectometer) 測(cè)量所生產(chǎn)的PCB 板的特性阻抗是否滿足設(shè)計(jì)需求。一般要控制的阻抗有單根線和差分對(duì)兩種情況。所以,test coupon 上的走線線寬和線距(有差分對(duì)時(shí))要與所要控制的線一樣。最重要的是測(cè)量時(shí)接地點(diǎn)的位置。為了減少接地引線(ground lead)的電感值,TDR 探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號(hào)的地方(probe tip),所以,test coupon 上量測(cè)信號(hào)的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式要符合所用的探棒。
11、在高速PCB 設(shè)計(jì)中,信號(hào)層的空白區(qū)域可以敷銅,而多個(gè)信號(hào)層的敷銅在接地和接電源上應(yīng)如何分配?
一般在空白區(qū)域的敷銅絕大部分情況是接地。只是在高速信號(hào)線旁敷銅時(shí)要注意敷銅與信號(hào)線的距離,因?yàn)樗蟮你~會(huì)降低一點(diǎn)走線的特性阻抗。也要注意不要影響到它層的特性阻抗,例如在dual strip line 的結(jié)構(gòu)時(shí)。
12、是否可以把電源平面上面的信號(hào)線使用微帶線模型計(jì)算特性阻抗?電源和地平面之間的信號(hào)是否可以使用帶狀線模型計(jì)算?
是的,在計(jì)算特性阻抗時(shí)電源平面跟地平面都必須視為參考平面。例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層,這時(shí)頂層走線特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線模型。
13、在高密度印制板上通過(guò)軟件自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試點(diǎn)一般情況下能滿足大批量生產(chǎn)的測(cè)試要求嗎?
一般軟件自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試點(diǎn)是否滿足測(cè)試需求必須看對(duì)加測(cè)試點(diǎn)的規(guī)范是否符合測(cè)試機(jī)具的要求。另外,如果走線太密且加測(cè)試點(diǎn)的規(guī)范比較嚴(yán),則有可能沒(méi)辦法自動(dòng)對(duì)每段線都加上測(cè)試點(diǎn),當(dāng)然,需要手動(dòng)補(bǔ)齊所要測(cè)試的地方。
14、添加測(cè)試點(diǎn)會(huì)不會(huì)影響高速信號(hào)的質(zhì)量?
至于會(huì)不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量就要看加測(cè)試點(diǎn)的方式和信號(hào)到底多快而定?;旧贤饧拥臏y(cè)試點(diǎn)(不用在線既有的穿孔(via or DIP pin)當(dāng)測(cè)試點(diǎn))可能加在在線或是從在線拉一小段線出來(lái)。前者相當(dāng)于是加上一個(gè)很小的電容在在線,后者則是多了一段分支。這兩個(gè)情況都會(huì)對(duì)高速信號(hào)多多少少會(huì)有點(diǎn)影響,影響的程度就跟信號(hào)的頻率速度和信號(hào)緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過(guò)仿真得知。原則上測(cè)試點(diǎn)越小越好(當(dāng)然還要滿足測(cè)試機(jī)具的要求)分支越短越好。
15、若干PCB 組成系統(tǒng),各板之間的地線應(yīng)如何連接?
各個(gè)PCB 板子相互連接之間的信號(hào)或電源在動(dòng)作時(shí),例如A 板子有電源或信號(hào)送到B 板子,一定會(huì)有等量的電流從地層流回到A 板子(此為Kirchoff current law)。這地層上的電流會(huì)找阻抗最小的地方流回去。所以,在各個(gè)不管是電源或信號(hào)相互連接的接口處,分配給地層的管腳數(shù)不能太少,以降低阻抗,這樣可以降低地層上的噪聲。另外,也可以分析整個(gè)電流環(huán)路,尤其是電流較大的部分,調(diào)整地層或地線的接法,來(lái)控制電流的走法(例如,在某處制造低阻抗,讓大部分的電流從這個(gè)地方走),降低對(duì)其它較敏感信號(hào)的影響。
16、能介紹一些國(guó)外關(guān)于高速PCB 設(shè)計(jì)的技術(shù)書籍和數(shù)據(jù)嗎?
現(xiàn)在高速數(shù)字電路的應(yīng)用有通信網(wǎng)路和計(jì)算器等相關(guān)領(lǐng)域。在通信網(wǎng)路方面,PCB 板的工作頻率已達(dá)GHz 上下,疊層數(shù)就我所知有到40 層之多。計(jì)算器相關(guān)應(yīng)用也因?yàn)樾酒倪M(jìn)步,無(wú)論是一般的PC 或服務(wù)器(Server),板子上的最高工作頻率也已經(jīng)達(dá)到400MHz (如Rambus) 以上。因應(yīng)這高速高密度走線需求,盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及build-up 制程工藝的需求也漸漸越來(lái)越多。這些設(shè)計(jì)需求都有廠商可大量生產(chǎn)。
17、兩個(gè)常被參考的特性阻抗公式:
微帶線(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中,W 為線寬,T 為走線的銅皮厚度,H 為走線到參考平面的距離,Er 是PCB 板材質(zhì)的介電常數(shù)(dielectric constant)。此公式必須在0.1<(W/H)<2.0 及1<(Er)<15 的情況才能應(yīng)用。
帶狀線(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中,H 為兩參考平面的距離,并且走線位于兩參考平面的中間。此公式必須在W/H<0.35 及T/H<0.25 的情況才能應(yīng)用。
18、差分信號(hào)線中間可否加地線?
差分信號(hào)中間一般是不能加地線。因?yàn)椴罘中盘?hào)的應(yīng)用原理最重要的一點(diǎn)便是利用差分信號(hào)間相互耦合(coupling)所帶來(lái)的好處,如flux cancellation,抗噪聲(noise immunity)能力等。若在中間加地線,便會(huì)破壞耦合效應(yīng)。
19、剛?cè)岚逶O(shè)計(jì)是否需要專用設(shè)計(jì)軟件與規(guī)范?國(guó)內(nèi)何處可以承接該類電路板加工?
可以用一般設(shè)計(jì)PCB 的軟件來(lái)設(shè)計(jì)柔性電路板(Flexible Printed Circuit)。一樣用Gerber 格式給FPC廠商生產(chǎn)。由于制造的工藝和一般PCB 不同,各個(gè)廠商會(huì)依據(jù)他們的制造能力會(huì)對(duì)最小線寬、最小線距、最小孔徑(via)有其限制。除此之外,可在柔性電路板的轉(zhuǎn)折處鋪些銅皮加以補(bǔ)強(qiáng)。至于生產(chǎn)的廠商可上網(wǎng)“FPC”當(dāng)關(guān)鍵詞查詢應(yīng)該可以找到。
20、適當(dāng)選擇PCB 與外殼接地的點(diǎn)的原則是什么?
選擇PCB 與外殼接地點(diǎn)選擇的原則是利用chassis ground 提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)及控制此回流電流的路徑。例如,通常在高頻器件或時(shí)鐘產(chǎn)生器附近可以借固定用的螺絲將PCB的地層與chassis ground 做連接,以盡量縮小整個(gè)電流回路面積,也就減少電磁輻射。
21、電路板DEBUG 應(yīng)從那幾個(gè)方面著手?
就數(shù)字電路而言,首先先依序確定三件事情:1. 確認(rèn)所有電源值的大小均達(dá)到設(shè)計(jì)所需。有些多重電源的系統(tǒng)可能會(huì)要求某些電源之間起來(lái)的順序與快慢有某種規(guī)范。2. 確認(rèn)所有時(shí)鐘信號(hào)頻率都工作正常且信號(hào)邊緣上沒(méi)有非單調(diào)(non-monotonic)的問(wèn)題。3. 確認(rèn)reset 信號(hào)是否達(dá)到規(guī)范要求。這些都正常的話,芯片應(yīng)該要發(fā)出第一個(gè)周期(cycle)的信號(hào)。接下來(lái)依照系統(tǒng)運(yùn)作原理與bus protocol 來(lái)debug。
22、在電路板尺寸固定的情況下,如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能,就往往需要提高PCB 的走線密度,但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng),同時(shí)走線過(guò)細(xì)也使阻抗無(wú)法降低,請(qǐng)專家介紹在高速(>100MHz)高密度PCB 設(shè)計(jì)中的技巧?
在設(shè)計(jì)高速高密度PCB 時(shí),串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的,因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)序(timing)與信號(hào)完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方:
控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。
走線間距的大小。一般常看到的間距為兩倍線寬??梢酝高^(guò)仿真來(lái)知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響,找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。
選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?/div>
避免上下相鄰兩層的走線方向相同,甚至有走線正好上下重疊在一起,因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。
利用盲埋孔(blind/buried via)來(lái)增加走線面積。但是PCB 板的制作成本會(huì)增加。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長(zhǎng),不過(guò)還是要盡量做到。
除此以外,可以預(yù)留差分端接和共模端接,以緩和對(duì)時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。
23、模擬電源處的濾波經(jīng)常是用LC 電路。但是為什么有時(shí)LC 比RC 濾波效果差?
LC 與RC 濾波效果的比較必須考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當(dāng)。因?yàn)殡姼械母锌?reactance)大小與電感值和頻率有關(guān)。如果電源的噪聲頻率較低,而電感值又不夠大,這時(shí)濾波效果可能不如RC。但是,使用RC 濾波要付出的代價(jià)是電阻本身會(huì)耗能,效率較差,且要注意所選電阻能承受的功率。
24、濾波時(shí)選用電感,電容值的方法是什么?
電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外,還要考慮瞬時(shí)電流的反應(yīng)能力。如 果LC 的輸出端會(huì)有機(jī)會(huì)需要瞬間輸出大電流,則電感值太大會(huì)阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度,增加紋波噪聲(ripple noise)。電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關(guān)。紋波噪聲值要求越小,電容值會(huì)較大。而電容的ESR/ESL 也會(huì)有影響。另外,如果這LC 是放在開關(guān)式電源(switching regulation power)的輸出端時(shí),還要注意此LC 所產(chǎn)生的極點(diǎn)零點(diǎn)(pole/zero)對(duì)負(fù)反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。
25、如何盡可能的達(dá)到EMC 要求,又不致造成太大的成本壓力?
PCB 板上會(huì)因EMC 而增加的成本通常是因增加地層數(shù)目以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)及增加了ferrite bead、choke等抑制高頻諧波器件的緣故。除此之外,通常還是需搭配其它機(jī)構(gòu)上的屏蔽結(jié)構(gòu)才能使整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)EMC的要求。以下僅就PCB 板的設(shè)計(jì)技巧提供幾個(gè)降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。
盡可能選用信號(hào)斜率(slew rate)較慢的器件,以降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分。
注意高頻器件擺放的位置,不要太靠近對(duì)外的連接器。
注意高速信號(hào)的阻抗匹配,走線層及其回流電流路徑(return current path),以減少高頻的反射與輻射。
在各器件的電源管腳放置足夠與適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀跃徍碗娫磳雍偷貙由系脑肼暋L貏e注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性是否符合設(shè)計(jì)所需。
對(duì)外的連接器附近的地可與地層做適當(dāng)分割,并將連接器的地就近接到chassis ground。
可適當(dāng)運(yùn)用ground guard/shunt traces 在一些特別高速的信號(hào)旁。但要注意guard/shunt traces 對(duì)走線特性阻抗的影響。
電源層比地層內(nèi)縮20H,H 為電源層與地層之間的距離。
26、當(dāng)一塊PCB 板中有多個(gè)數(shù)/模功能塊時(shí),常規(guī)做法是要將數(shù)/模地分開,原因何在?
將數(shù)/模地分開的原因是因?yàn)閿?shù)字電路在高低電位切換時(shí)會(huì)在電源和地產(chǎn)生噪聲,噪聲的大小跟信號(hào)的速度及電流大小有關(guān)。如果地平面上不分割且由數(shù)字區(qū)域電路所產(chǎn)生的噪聲較大而模擬區(qū)域的電路又非常接近,則即使數(shù)模信號(hào)不交叉,模擬的信號(hào)依然會(huì)被地噪聲干擾。也就是說(shuō)數(shù)模地不分割的方式只能在模擬電路區(qū)域距產(chǎn)生大噪聲的數(shù)字電路區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)使用。
27、另一種作法是在確保數(shù)/模分開布局,且數(shù)/模信號(hào)走線相互不交叉的情況下,整個(gè)PCB板地不做分割,數(shù)/模地都連到這個(gè)地平面上。道理何在?
數(shù)模信號(hào)走線不能交叉的要求是因?yàn)樗俣壬钥斓臄?shù)字信號(hào)其返回電流路徑(return current path)會(huì)盡量沿著走線的下方附近的地流回?cái)?shù)字信號(hào)的源頭,若數(shù)模信號(hào)走線交叉,則返回電流所產(chǎn)生的噪聲便會(huì)出現(xiàn)在模擬電路區(qū)域內(nèi)。
28、在高速PCB 設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)時(shí),如何考慮阻抗匹配問(wèn)題?
在設(shè)計(jì)高速PCB 電路時(shí),阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系,例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline),與參考層(電源層或地層)的距離,走線寬度,PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值。也就是說(shuō)要在布線后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無(wú)法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況,這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接),如串聯(lián)電阻等,來(lái)緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問(wèn)題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。
29、哪里能提供比較準(zhǔn)確的IBIS 模型庫(kù)?
IBIS 模型的準(zhǔn)確性直接影響到仿真的結(jié)果?;旧螴BIS 可看成是實(shí)際芯片I/O buffer 等效電路的電氣特性數(shù)據(jù),一般可由SPICE 模型轉(zhuǎn)換而得(亦可采用測(cè)量,但限制較多),而SPICE 的數(shù)據(jù)與芯片制造有絕對(duì)的關(guān)系,所以同樣一個(gè)器件不同芯片廠商提供,其SPICE 的數(shù)據(jù)是不同的,進(jìn)而轉(zhuǎn)換后的IBIS 模型內(nèi)之?dāng)?shù)據(jù)也會(huì)隨之而異。也就是說(shuō),如果用了A 廠商的器件,只有他們有能力提供他們器件準(zhǔn)確模型數(shù)據(jù),因?yàn)闆](méi)有其它人會(huì)比他們更清楚他們的器件是由何種工藝做出來(lái)的。如果廠商所提供的IBIS 不準(zhǔn)確,只能不斷要求該廠商改進(jìn)才是根本解決之道。
30、在高速PCB 設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者應(yīng)該從那些方面去考慮EMC、EMI 的規(guī)則呢?
一般EMI/EMC 設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個(gè)方面。前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(<30MHz)。所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分。一個(gè)好的EMI/EMC 設(shè)計(jì)必須一開始布局時(shí)就要考慮到器件的位置,PCB 疊層的安排,重要聯(lián)機(jī)的走法,器件的選擇等,如果這些沒(méi)有事前有較佳的安排,事后解決則會(huì)事倍功半,增加成本. 例如時(shí)鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對(duì)外的連接器,高速信號(hào)盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射,器件所推的信號(hào)之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分,選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時(shí)注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲。另外,注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。最后,適當(dāng)?shù)倪x擇PCB 與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。
31、如何選擇EDA 工具?
目前的pcb 設(shè)計(jì)軟件中,熱分析都不是強(qiáng)項(xiàng),所以并不建議選用,其它的功能1.3.4 可以選擇PADS或Cadence 性能價(jià)格比都不錯(cuò)。PLD 的設(shè)計(jì)的初學(xué)者可以采用PLD 芯片廠家提供的集成環(huán)境,在做到百萬(wàn)門以上的設(shè)計(jì)時(shí)可以選用單點(diǎn)工具。
32、請(qǐng)推薦一種適合于高速信號(hào)處理和傳輸?shù)腅DA 軟件。
常規(guī)的電路設(shè)計(jì),INNOVEDA 的PADS 就非常不錯(cuò),且有配合用的仿真軟件,而這類設(shè)計(jì)往往占據(jù)了70%的應(yīng)用場(chǎng)合。在做高速電路設(shè)計(jì),模擬和數(shù)字混合電路,采用Cadence 的解決方案應(yīng)該屬于性能價(jià)格比較好的軟件,當(dāng)然Mentor 的性能還是非常不錯(cuò)的,特別是它的設(shè)計(jì)流程管理方面應(yīng)該是最為優(yōu)秀的。(大唐電信技術(shù)專家 王升)
33、對(duì)PCB 板各層含義的解釋?
Topoverlay--頂層器件名稱,也叫top silkscreen 或者top component legend,比如R1 C5,
IC10.bottomoverlay--同理multilayer--如果你設(shè)計(jì)一個(gè)4 層板,你放置一個(gè)free pad or via,定義它作為multilay 那么它的pad 就會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在4 個(gè)層 上,如果你只定義它是top layer,那么它的pad 就會(huì)只出現(xiàn)在頂層上。
34、2G 以上高頻PCB 設(shè)計(jì),走線,排版,應(yīng)重點(diǎn)注意哪些方面?
2G 以上高頻PCB 屬于射頻電路設(shè)計(jì),不在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。而 射頻電路的布局(layout)和布線(routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的,因?yàn)椴季植季€都會(huì)造成分布效應(yīng)。而且,射頻電路設(shè)計(jì)一些無(wú)源器件是通過(guò)參數(shù)化定義,特殊形狀銅箔實(shí)現(xiàn),因此要求EDA 工具能夠提供參數(shù)化器件,能夠編輯特殊形狀銅箔。Mentor 公司的boardstation 中有專門的RF 設(shè)計(jì)模塊,能夠滿足這些要求。而且,一般射頻設(shè)計(jì)要求有專門射頻電路分析工具,業(yè)界最著名的是agilent 的 eesoft,和Mentor 的工具有很好的接口。
35、2G 以上高頻PCB 設(shè)計(jì),微帶的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些規(guī)則?
射頻微帶線設(shè)計(jì),需要用三維場(chǎng)分析工具提取傳輸線參數(shù)。所有的規(guī)則應(yīng)該在這個(gè)場(chǎng)提取工具中規(guī)定。
36、對(duì)于全數(shù)字信號(hào)的PCB,板上有一個(gè)80MHz 的鐘源。除了采用絲網(wǎng)(接地)外,為了保證有足夠的驅(qū)動(dòng)能力,還應(yīng)該采用什么樣的電路進(jìn)行保護(hù)?
確保時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力,不應(yīng)該通過(guò)保護(hù)實(shí)現(xiàn),一般采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片。一般擔(dān)心時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力,是因?yàn)槎鄠€(gè)時(shí)鐘負(fù)載造成。采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片,將一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)變成幾個(gè),采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接。選擇驅(qū)動(dòng)芯片,除了保證與負(fù)載基本匹配,信號(hào)沿滿足要求(一般時(shí)鐘為沿有效信號(hào)),在計(jì)算系統(tǒng)時(shí)序時(shí),要算上時(shí)鐘在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)時(shí)延。
37、如果用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,一般采用什么樣的接口,來(lái)保證時(shí)鐘信號(hào)的傳輸受到的影響小?
時(shí)鐘信號(hào)越短,傳輸線效應(yīng)越小。采用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,會(huì)增加信號(hào)布線長(zhǎng)度。而且單板的接地供電也是問(wèn)題。如果要長(zhǎng)距離傳輸,建議采用差分信號(hào)。LVDS 信號(hào)可以滿足驅(qū)動(dòng)能力要求,不過(guò)您的時(shí)鐘不是太快,沒(méi)有必要。
38、27M,SDRAM 時(shí)鐘線(80M-90M),這些時(shí)鐘線二三次諧波剛好在VHF 波段,從接收端高頻竄入后干擾很大。除了縮短線長(zhǎng)以外,還有那些好辦法?
如果是三次諧波大,二次諧波小,可能因?yàn)樾盘?hào)占空比為50%,因?yàn)檫@種情況下,信號(hào)沒(méi)有偶次諧波。這時(shí)需要修改一下信號(hào)占空比。此外,對(duì)于如果是單向的時(shí)鐘信號(hào),一般采用源端串聯(lián)匹配。這樣可以抑制二次反射,但不會(huì)影響時(shí)鐘沿速率。源端匹配值,可以采用下圖公式得到。
39、什么是走線的拓?fù)浼軜?gòu)?
Topology,有的也叫routing order,對(duì)于多端口連接的網(wǎng)絡(luò)的布線次序。
40、怎樣調(diào)整走線的拓?fù)浼軜?gòu)來(lái)提高信號(hào)的完整性?
這種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)方向比較復(fù)雜,因?yàn)閷?duì)單向,雙向信號(hào),不同電平種類信號(hào),拓樸影響都不一樣,很難說(shuō)哪種拓樸對(duì)信號(hào)質(zhì)量有利。而且作前仿真時(shí),采用何種拓樸對(duì)工程師要求很高,要求對(duì)電路原理,信號(hào)類型,甚至布線難度等都要了解。
41、怎樣通過(guò)安排疊層來(lái)減少EMI 問(wèn)題?
首先,EMI 要從系統(tǒng)考慮,單憑PCB 無(wú)法解決問(wèn)題。層迭對(duì)EMI 來(lái)講,我認(rèn)為主要是提供信號(hào)最短回流路徑,減小耦合面積,抑制差模干擾。另外地層與電源層緊耦合,適當(dāng)比電源層外延,對(duì)抑制共模干擾有好處。
42、為何要鋪銅?
一般鋪銅有幾個(gè)方面原因。1,EMC.對(duì)于大面積的地或電源鋪銅,會(huì)起到屏蔽作用,有些特殊地,如PGND 起到防護(hù)作用。1,PCB 工藝要求。一般為了保證電鍍效果,或者層壓不變形,對(duì)于布線較少的PCB 板層鋪銅。3,信號(hào)完整性要求,給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑,并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線。當(dāng)然還有散熱,特殊器件安裝要求鋪銅等等原因。
43、在一個(gè)系統(tǒng)中,包含了dsp 和pld,請(qǐng)問(wèn)布線時(shí)要注意哪些問(wèn)題呢?
看你的信號(hào)速率和布線長(zhǎng)度的比值。如果信號(hào)在傳輸在線的時(shí)延和信號(hào)變化沿時(shí)間可比的話,就要考慮信號(hào)完整性問(wèn)題。另外對(duì)于多個(gè)DSP,時(shí)鐘,數(shù)據(jù)信號(hào)走線拓普也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序,需要關(guān)注。
44、除protel 工具布線外,還有其他好的工具嗎?
至于工具,除了PROTEL,還有很多布線工具,如MENTOR 的WG2000,EN2000 系列和powerpcb,Cadence 的allegro,zuken 的cadstar,cr5000 等,各有所長(zhǎng)。
45、什么是“信號(hào)回流路徑”?
信號(hào)回流路徑,即return current。高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí),信號(hào)的流向是從驅(qū)動(dòng)器沿PCB 傳輸線到負(fù)載,再由負(fù)載沿著地或電源通過(guò)最短路徑返回驅(qū)動(dòng)器端。這個(gè)在地或電源上的返回信號(hào)就稱信號(hào)回流路徑。Dr.Johson 在他的書中解釋,高頻信號(hào)傳輸,實(shí)際上是對(duì)傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過(guò)程。SI 分析的就是這個(gè)圍場(chǎng)的電磁特性,以及他們之間的耦合。
46、如何對(duì)接插件進(jìn)行SI 分析?
在IBIS3.2 規(guī)范中,有關(guān)于接插件模型的描述。一般使用EBD 模型。如果是特殊板,如背板,需要SPICE 模型。也可以使用多板仿真軟件(HYPERLYNX 或IS_multiboard),建立多板系統(tǒng)時(shí),輸入接插件的分布參數(shù),一般從接插件手冊(cè)中得到。當(dāng)然這種方式會(huì)不夠精確,但只要在可接受范圍內(nèi)即可。
47、請(qǐng)問(wèn)端接的方式有哪些?
端接(terminal),也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯(lián)匹配,終端匹配一般為并聯(lián)匹配,方式比較多,有電阻上拉,電阻下拉,戴維南匹配,AC 匹配,肖特基二極管匹配。
48、采用端接(匹配)的方式是由什么因素決定的?
匹配采用方式一般由BUFFER 特性,拓普情況,電平種類和判決方式來(lái)決定,也要考慮信號(hào)占空比,系統(tǒng)功耗等。
49、采用端接(匹配)的方式有什么規(guī)則?
數(shù)字電路最關(guān)鍵的是時(shí)序問(wèn)題,加匹配的目的是改善信號(hào)質(zhì)量,在判決時(shí)刻得到可以確定的信號(hào)。對(duì)于電平有效信號(hào),在保證建立、保持時(shí)間的前提下,信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定;對(duì)延有效信號(hào),在保證信號(hào)延單調(diào)性前提下,信號(hào)變化延速度滿足要求。Mentor ICX 產(chǎn)品教材中有關(guān)于匹配的一些資料。另外《High Speed Digital design a hand book of blackmagic》有一章專門對(duì)terminal 的講述,從電磁波原理上講述匹配對(duì)信號(hào)完整性的作用,可供參考。
50、能否利用器件的IBIS 模型對(duì)器件的邏輯功能進(jìn)行仿真?如果不能,那么如何進(jìn)行電路的板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真?
IBIS 模型是行為級(jí)模型,不能用于功能仿真。功能仿真,需要用SPICE 模型,或者其他結(jié)構(gòu)級(jí)模型。
51、在數(shù)字和模擬并存的系統(tǒng)中,有2 種處理方法,一個(gè)是數(shù)字地和模擬地分開,比如在地層,數(shù)字地是獨(dú)立地一塊,模擬地獨(dú)立一塊,單點(diǎn)用銅皮或FB 磁珠連接,而電源不分開;另一種是模擬電源和數(shù)字電源分開用FB 連接,而地是統(tǒng)一地地。請(qǐng)問(wèn)李先生,這兩種方法效果是否一樣?
應(yīng)該說(shuō)從原理上講是一樣的。因?yàn)殡娫春偷貙?duì)高頻信號(hào)是等效的。
區(qū)分模擬和數(shù)字部分的目的是為了抗干擾,主要是數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾。但是,分割可能造成信號(hào)回流路徑不完整,影響數(shù)字信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量,影響系統(tǒng)EMC 質(zhì)量。因此,無(wú)論分割哪個(gè)平面,要看這樣作,信號(hào)回流路徑是否被增大,回流信號(hào)對(duì)正常工作信號(hào)干擾有多大?,F(xiàn)在也有一些混合設(shè)計(jì),不分電源和地,在布局時(shí),按照數(shù)字部分、模擬部分分開布局布線,避免出現(xiàn)跨區(qū)信號(hào)。
52、安規(guī)問(wèn)題:FCC、EMC 的具體含義是什么?
FCC: federal communication commission 美國(guó)通信委員會(huì)
EMC: electro megnetic compatibility 電磁兼容
FCC 是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織,EMC 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒布都有相應(yīng)的原因,標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法。
53、何謂差分布線?
差分信號(hào),有些也稱差動(dòng)信號(hào),用兩根完全一樣,極性相反的信號(hào)傳輸一路數(shù)據(jù),依靠?jī)筛盘?hào)電平差進(jìn)行判決。為了保證兩根信號(hào)完全一致,在布線時(shí)要保持并行,線寬、線間距保持不變。
54、PCB 仿真軟件有哪些?
仿真的種類很多,高速數(shù)字電路信號(hào)完整性分析仿真分析(SI) 常用軟件有icx,signalvision,hyperlynx,XTK,speectraquest 等。有些也用Hspice。
55、PCB 仿真軟件是如何進(jìn)行LAYOUT 仿真的?
高速數(shù)字電路中,為了提高信號(hào)質(zhì)量,降低布線難度,一般采用多層板,分配專門的電源層,地層。
56、在布局、布線中如何處理才能保證50M 以上信號(hào)的穩(wěn)定性?
高速數(shù)字信號(hào)布線,關(guān)鍵是減小傳輸線對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。因此,100M 以上的高速信號(hào)布局時(shí)要求信號(hào)走線盡量短。數(shù)字電路中,高速信號(hào)是用信號(hào)上升延時(shí)間來(lái)界定的。而且,不同種類的信號(hào)(如TTL,GTL,LVTTL),確保信號(hào)質(zhì)量的方法不一樣。
57、室外單元的射頻部分,中頻部分,乃至對(duì)室外單元進(jìn)行監(jiān)控的低頻電路部分往往采用部署在同一PCB 上,請(qǐng)問(wèn)對(duì)這樣的PCB 在材質(zhì)上有何要求?如何防止射頻,中頻乃至低頻電路互相之間的干擾?
混合電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的問(wèn)題。很難有一個(gè)完美的解決方案。
一般射頻電路在系統(tǒng)中都作為一個(gè)獨(dú)立的單板進(jìn)行布局布線,甚至?xí)袑iT的屏蔽腔體。而且射頻電路一般為單面或雙面板,電路較為簡(jiǎn)單,所有這些都是為了減少對(duì)射頻電路分布參數(shù)的影響,提高射頻系統(tǒng)的一致性。相對(duì)于一般的FR4 材質(zhì),射頻電路板傾向與采用高Q 值的基材,這種材料的介電常數(shù)比較小,傳輸線分布電容較小,阻抗高,信號(hào)傳輸時(shí)延小。在混合電路設(shè)計(jì)中,雖然射頻,數(shù)字電路做在同一塊PCB 上,但一般都分成射頻電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū),分別布局布線。之間用接地過(guò)孔帶和屏蔽盒屏蔽。
58、對(duì)于射頻部分,中頻部分和低頻電路部分部署在同一PCB 上,mentor 有什么解決方案?
Mentor 的板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,除了基本的電路設(shè)計(jì)功能外,還有專門的RF 設(shè)計(jì)模塊。在RF 原理圖設(shè)計(jì)模塊中,提供參數(shù)化的器件模型,并且提供和EESOFT 等射頻電路分析仿真工具的雙向接口;在RF LAYOUT 模塊中,提供專門用于射頻電路布局布線的圖案編輯功能,也有和EESOFT 等射頻電路分析仿真工具的雙向接口,對(duì)于分析仿真后的結(jié)果可以反標(biāo)回原理圖和PCB。同時(shí),利用Mentor 軟件的設(shè)計(jì)管理功能,可以方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)用,設(shè)計(jì)派生,和協(xié)同設(shè)計(jì)。大大加速混合電路設(shè)計(jì)進(jìn)程。手機(jī)板是典型的混合電路設(shè)計(jì),很多大型手機(jī)設(shè)計(jì)制造商都利用Mentor 加安杰倫的eesoft 作為設(shè)計(jì)平臺(tái)。
59、在一塊12 層PCb 板上,有三個(gè)電源層2.2v,3.3v,5v,將三個(gè)電源各作在一層,地線該如何處理?
一般說(shuō)來(lái),三個(gè)電源分別做在三層,對(duì)信號(hào)質(zhì)量比較好。因?yàn)椴淮罂赡艹霈F(xiàn)信號(hào)跨平面層分割現(xiàn)象。跨分割是影響信號(hào)質(zhì)量很關(guān)鍵的一個(gè)因素,而仿真軟件一般都忽略了它。對(duì)于電源層和地層,對(duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)都是等效的。在實(shí) 際 中,除了考慮信號(hào)質(zhì)量外,電 源 平 面 耦 合( 利 用相鄰地平面降低電源平面交流阻抗),層迭對(duì)稱,都是需要考慮的因素。
60、PCB 在出廠時(shí)如何檢查是否達(dá)到了設(shè)計(jì)工藝要求?
很多PCB 廠家在PCB 加工完成出廠前,都要經(jīng)過(guò)加電的網(wǎng)絡(luò)通斷測(cè)試,以確保所有聯(lián)線正確。同時(shí),越來(lái)越多的廠家也采用x 光測(cè)試,檢查蝕刻或?qū)訅簳r(shí)的一些故障。對(duì)于貼片加工后的成品板,一般采用ICT測(cè)試檢查,這需要在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)添加ICT 測(cè)試點(diǎn)。如果出現(xiàn)問(wèn)題,也可以通過(guò)一種特殊的X 光檢查設(shè)備排除是否加工原因造成故障。
61、在芯片選擇的時(shí)候是否也需要考慮芯片本身的esd 問(wèn)題?
不論是雙層板還是多層板,都應(yīng)盡量增大地的面積。在選擇芯片時(shí)要考慮芯片本身的ESD 特性,這些在芯片說(shuō)明中一般都有提到,而且即使不同廠家的同一種芯片性能也會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)時(shí)多加注意,考慮的全面一點(diǎn),做出電路板的性能也會(huì)得到一定的保證。但ESD 的問(wèn)題仍然可能出現(xiàn),因此機(jī)構(gòu)的防護(hù)對(duì)ESD 的防護(hù)也是相當(dāng)重要的。
62、在做pcb 板的時(shí)候,為了減小干擾,地線是否應(yīng)該構(gòu)成閉和形式?
在做PCB 板的時(shí)候,一般來(lái)講都要減小回路面積,以便減少干擾,布地線的時(shí)候,也不應(yīng)布成閉合形式,而是布成樹枝狀較好,還有就是要盡可能增大地的面積。
63、如果仿真器用一個(gè)電源,pcb 板用一個(gè)電源,這兩個(gè)電源的地是否應(yīng)該連在一起?
如果可以采用分離電源當(dāng)然較好,因?yàn)槿绱穗娫撮g不易產(chǎn)生干擾,但大部分設(shè)備是有具體要求的。既然仿真器和PCB 板用的是兩個(gè)電源,按我的想法是不該將其共地的。
64、一個(gè)電路由幾塊pcb 板構(gòu)成,他們是否應(yīng)該共地?
一個(gè)電路由幾塊PCB 構(gòu)成,多半是要求共地的,因?yàn)樵谝粋€(gè)電路中用幾個(gè)電源畢竟是不太實(shí)際的。但如果你有具體的條件,可以用不同電源當(dāng)然干擾會(huì)小些。
65、設(shè)計(jì)一個(gè)手持產(chǎn)品,帶LCD,外殼為金屬。測(cè)試ESD 時(shí),無(wú)法通過(guò)ICE-1000-4-2 的測(cè)試,CONTACT 只能通過(guò)1100V,AIR 可以通過(guò)6000V。ESD 耦合測(cè)試時(shí),水平只能可以通過(guò)3000V,垂直可以通過(guò)4000V 測(cè)試。CPU 主頻為33MHZ。有什么方法可以通過(guò)ESD 測(cè)試?
手持產(chǎn)品又是金屬外殼,ESD 的問(wèn)題一定比較明顯,LCD 也恐怕會(huì)出現(xiàn)較多的不良現(xiàn)象。如果沒(méi)辦法改變現(xiàn)有的金屬材質(zhì),則建議在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加上防電材料,加強(qiáng)PCB 的地,同時(shí)想辦法讓LCD 接地。當(dāng)然,如何操作要看具體情況。
66、設(shè)計(jì)一個(gè)含有DSP,PLD 的系統(tǒng),該從那些方面考慮ESD?
就一般的系統(tǒng)來(lái)講,主要應(yīng)考慮人體直接接觸的部分,在電路上以及機(jī)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)。至于ESD 會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成多大的影響,那還要依不同情況而定。干燥的環(huán)境下,ESD 現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重,較敏感精細(xì)的系統(tǒng),ESD 的影響也會(huì)相對(duì)明顯。雖然大的系統(tǒng)有時(shí)ESD 影響并不明顯,但設(shè)計(jì)時(shí)還是要多加注意,盡量防患于未然。
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