林初善 冉金志 李倩茹 邵云飛

1.西安通信學(xué)院，陜西 西安 710106

2.中國人民解放軍76110 部隊75 分隊，河南 衡陽 421008

1 概述

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，速度已成為許多系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的最重要因素之一。對于高速系統(tǒng)的設(shè)計，無論是數(shù)字電路還是模擬電路，噪聲是一個最值得關(guān)注的問題。高頻信號會由于輻射而產(chǎn)生干擾，亦會導(dǎo)致振鈴、反射以及串?dāng)_等，如果不加以控制，會嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。

本文將就高速信號反射控制、串?dāng)_控制、電磁干擾控制以及疊層設(shè)計等方面討論高速印制電路板設(shè)計中需要注意的幾個噪聲控制問題。

2 高速印制電路板設(shè)計的難點(diǎn)

對于高速印制電路板設(shè)計，最重要也是最難的是如何保證信號的完整性和對電磁干擾的控制。對于信號完整性的分析，主要包括對反射、串?dāng)_及電源完整性的分析等。串?dāng)_可以使信號中增加干擾頻率成分，導(dǎo)致信號質(zhì)量變差，嚴(yán)重時接收端將無法接收信號。電磁干擾是指系統(tǒng)通過傳導(dǎo)或輻射的方式發(fā)射電磁波影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。它會影響本系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

3 信號的完整性保證與電磁干擾控制

3.1 信號反射控制

反射是指由于阻抗不匹配而造成信號能量不完全吸收的現(xiàn)象。當(dāng)信號在不同媒介傳播時，由于不同媒介的阻抗不同，導(dǎo)致信號在不同媒介交界處部分能量不能通過，情況嚴(yán)重時，還會引起信號在媒介兩端不停地反射，隨之產(chǎn)生一系列的信號完整性問題。但是，在實(shí)際設(shè)計中，并不能完全保證傳輸線阻抗的恒定不變，只能盡量控制。在設(shè)計過程中，采取以下措施來控制阻抗：

（1）對于驅(qū)動端與接收端的阻抗不一致現(xiàn)象，采用Thevenin 等效阻抗進(jìn)行匹配。采用這種阻抗匹配方式能夠平衡高低電平，提高電路的扇出能力，減小由于占空比失調(diào)引起的能量消耗。

（2）嚴(yán)格控制高速信號傳輸線的特性阻抗。通過調(diào)整線寬、線距、疊層厚度等PCB 參數(shù)盡量將傳輸線特性阻抗控制在一個固定值（如50Ω）。設(shè)計中信號走線采用表面微帶傳輸線，它的特性阻抗計算公式如式(1)和式(2)。

其中，Z0 表示傳輸線的特性阻抗，單位為Ω；W 表示信號走線的寬度；T 表示信號走線的厚度；H 表示信號走線與參考平面的距離；表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)。W、T 和H 這三者的單位要一致；1mil=0.0254mm。

一般情況下高速信號均采用差分格式，此時表面微帶差分傳輸線的特性阻抗的計算公式如式（3）。

式中，D 表示兩差分走線邊沿的距離，單位要與H 的單位保持一致；Z 差分表示差分傳輸線的特性阻抗，單位為Ω；

例如，在設(shè)計中，如果要把差分微帶傳輸線的特性阻抗控制在100Ω，為此，兼顧其他方面的要求，可以確定各參數(shù)值如下：

W=0.2mm；T=0.03mm；H=0.2mm；D=0.2mm；=4.1（FR-4 材料的相對介電常數(shù)）。

將以上數(shù)值代入式2 和式3，計算得差分阻抗Z 差分=100.1Ω。當(dāng)然，以上的計算并不精確，因?yàn)楣街斜旧砭秃雎粤艘恍﹨?shù)，如表面覆蓋的綠漆厚度以及它的介電常數(shù)等，再加上在實(shí)際制板過程中，由于工藝上的誤差可能導(dǎo)致各個參數(shù)值的差異，實(shí)際PCB 板上的差分特性阻抗并不完全等于100Ω。為此可以用專門的軟件進(jìn)一步計算這個特性阻抗，但最終的匹配阻抗值則需要在最后的調(diào)試階段進(jìn)行阻值調(diào)整，以達(dá)到完全匹配。用目前較為流行的計算特性阻抗的軟件Polar Si8000 計算上例中的差分特性阻抗，得到Z 差分=109.77Ω，這個值是綜合考慮了表面綠漆及工藝誤差等因素得出的，最后的調(diào)試結(jié)果證明了這個差分阻抗能夠?qū)崿F(xiàn)較好的信號質(zhì)量。其界面如圖1所示。

（3）嚴(yán)格進(jìn)行差分線上的阻抗連續(xù)性控制。為了達(dá)到使用差分傳輸線的最佳效果，必須進(jìn)行阻抗連續(xù)性控制，否則信號就會在阻抗不連續(xù)的地方產(chǎn)生反射。為此，要盡量做到兩差分線“等長等距”平行走線，信號離開器件引腳后，要盡量靠近，保持兩差分線距離為0.2mm；盡量不使用過孔，必須使用過孔時要保持兩差分線上的過孔數(shù)目相等；盡量使用圓弧折線，避免使用或折線，以減少阻抗不連續(xù)發(fā)生的可能性。

3.2 信號串?dāng)_控制

串?dāng)_是指當(dāng)信號在傳輸線上傳播時，因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的電壓噪聲干擾[5]。這種干擾是由于傳輸線之間的互感和互容引起的，所以對串?dāng)_的控制也就應(yīng)該從減小傳輸線間的互感和互容入手。在設(shè)計中，可以從以下三個方面來減小串?dāng)_：

（1）使用差分信號格式。在設(shè)計初期選擇器件時就優(yōu)先選擇具有差分信號接口的器件。由于數(shù)字信號在差分線上傳輸時，正負(fù)兩路信號的相位相差，即信號是以“差模”的方式傳輸，而噪聲是以“共?！钡姆绞皆谝粚Σ罘志€上耦合出現(xiàn)。在接收端，正負(fù)兩路信號相減就可以得到信號，消除噪聲，所以采用差分傳輸線可以有效地減小串?dāng)_。

（2）低速信號與高速信號分層布線。將電平幅度較大的低速信號（如TTL 電平信號）遠(yuǎn)離高速差分信號，盡可能將它們布在不同層面上，以減小低速信號對高速信號的影響。

（3）盡量減小地平面與傳輸線之間的距離，將它控制在0.2mm，使信號回流面積最小。

3.3 電磁干擾控制

圖1 差分特性阻抗計算界面圖

圖2 6 層板典型疊層結(jié)構(gòu)

電磁干擾(EMI)是電子設(shè)計過程中不可避免的一個問題。特別是在高速電路的PCB 設(shè)計過程中，如果不對EMI進(jìn)行有效控制，就很難達(dá)到設(shè)計目的。控制EMI 的主要措施有三種：屏蔽、濾波和接地。它們之間的相互關(guān)聯(lián)的，接地的好壞直接影響設(shè)備對屏蔽和濾波的要求，而屏蔽的優(yōu)劣也影響著對濾波器的要求。此外，采用差分對走線也能起到抑制EMI 的效果。

（1）濾波。一般在設(shè)計中采用去耦電容、EMI 濾波器和磁性元件等器件來實(shí)現(xiàn)濾波。通常的做法是用電容值比較高的電容去濾除低頻噪聲，用電容值比較小的電容去濾除高頻噪聲。在設(shè)計中，每個電源輸入處各放置一個47μF 和一個100μF 的鉭電容，來抑制電源低頻成分。在器件的每個電源輸入引腳處盡可能多地放置一些去耦電容來濾除高頻部分，容值為0.001μF 和0.01μF，電容位置盡可能靠近器件。電容之間使用多個過孔到地，電容的過孔盡量靠近焊盤，這樣可以獲得最佳的濾波效果。此外，磁性元件用于電源濾波的效果非常好。在設(shè)計中，在每個電源的輸入端可以串連一個磁珠，這樣可以有效加強(qiáng)對EMI的控制。

（2）屏蔽。通過空間傳播的電磁干擾可以通過屏蔽進(jìn)行有效地抑制。屏蔽不僅可以避免本系統(tǒng)給其他系統(tǒng)造成影響，而且可以防止外界電磁輻射干擾本系統(tǒng)。

（3）接地。接地方式有很多種，其中多點(diǎn)接地是指電路中的接地點(diǎn)都直接接到離它最近的地，以使得各個接地線的長度最小。

4 PCB 疊層設(shè)計

從前面的分析可以看到，保證信號到參考平面的低阻抗在抑制EMI 中起著重要的作用，因而在進(jìn)行疊層設(shè)計時，應(yīng)該特別注重參考平面層的安排。理想的分層結(jié)構(gòu)應(yīng)該是接地層緊挨著信號層兩邊，而且保證電源層與接地層相鄰，二者距離盡可能的小。隨著信號頻率的不斷提高，一般只有6 層以上的PCB 板才能起到良好的EMI 抑制效果。

以6 層板為例，其疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

在圖2中，與頂層高速信號層和底層低速信號層相鄰的都是地層，距離為0.2mm。兩個電源層分別與地層近距離相鄰，距離為0.2mm。由于系統(tǒng)需要6 個電源電壓，如果在一個電源層上分割困難，則采用雙電源層設(shè)計。

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