关于高速线路的布线问题解答

    【集萃网观察】1、关于高速数字PCB

　　请问适当选择PCB与外壳接地的点的原则是什么？另外，一般PCB LAYOUT工程师总是根据DESIGN GUIDE/LAYOUT GUIDELINE做，我想了解一般制定GUIDE的是硬件/系统工程师，还是资深PCB工程师？谁应该对板级系统的性能负主要责任。谢谢！

　　answer:与外壳接地点选择的原则是利用chassis ground提供低阻抗的路径给回流电流（returning current）及控制此回流电流的路径。例如，通常在高频器件或时钟产生器附近可以借固定用的螺丝将PCB的地层与chassis ground做连接，以尽量缩小整个电流回路面积，也就减少电磁辐射。 谁应该负责制定guideline可能每个公司有不同的情况而有不同安排。Guideline的制定必须对整个系统、芯片、电路动作原理有充分的了解，才能制定出符合电气规范且可实现的guideline。所以，以我个人的观点，硬件系统工程师似乎较适合这个角色。当然，资深PCB工程师可以提供在实际实现时的经验，使得这guideline可以实现的更好。

　　2、电路板DEBUG应从那几个方面着手。

　　问：请问板子设计好，生产出来，DEBUG应从那几个方面着手。

　　答：就数字电路而言，首先先依序确定三件事情：

　　1.确认所有电源值的大小均达到设计所需。有些多重电源的系统可能会要求某些电源之间起来的顺序与快慢有某种规范。

　　2.确认所有时钟信号频率都工作正常且信号边缘上没有非单调（non-monotonic）的问题。

　　3.确认reset信号是否达到规范要求。

　　这些都正常的话，芯片应该要发出第一个周期（cycle）的信号。接下来依照系统运作原理与bus protocol来debug。

　　3、现在常用的电子PCB设计软件如何满足电路抗干扰的要求？

　　问： 现在有哪些PCB设计软件,如何用PROTEL99合理的设计符合自己要求的PCB.比如如何满足高频电路的要求,如何考虑电路满足抗干扰的要求？ 谢谢！！

　　答：我没有使用Protel的经验，以下仅就设计原理来讨论。

　　高频数字电路主要是考虑传输线效应对信号质量与时序（timing）的影响。如特性阻抗的连续与匹配，端接方式的选择，拓朴（topology）方式的选择，走线的长度与间距，时钟（或strobe）信号skew的控制等。

　　如果器件已经固定，一般抗干扰的方式是拉大间距或加ground guard traces。

　　4、关于lvds信号的布线

　　问： 对于lvds低压差分信号，原则上是布线等长、平行，但实际上较难实现，是否能提供一些经验？贵公司产品是否有试用版？

　　答 差分信号布线时要求等长且平行的原因有下列几点：

　　1.平行的目的是要确保差分阻抗的完整性。平行间距不同的地方就等于是差分阻抗不连续。

　　2.等长的目的是想要确保时序（timing）的准确与对称性。因为差分信号的时序跟这两个信号交叉点（或相对电压差值）有关，如果不等长，则此交叉点不会出现在信号振幅（swing amplitude）的中间，也会造成相邻两个时间间隔（time interval）不对称，增加时序控制的难度。

　　3.不等长也会增加共模（common mode）信号的成分，影响信号完整性（signal integrity）。

　　5、问：在电路板尺寸固定的情况下，如果设计中需要容纳更多的功能，就往往需要提高PCB的走线密度，但是这样有可能导致走线的相互干扰增强，同时走线过细也使阻抗无法降低，请专家介绍在高速（>100MHz）高密度PCB设计中的技巧？

　　答：在设计高速高密度PCB时，串扰（crosstalk interference）确实是要特别注意的，因为它对时序（timing）与信号完整性（signal integrity）有很大的影响。以下提供几个注意的地方：

　　1.控制走线特性阻抗的连续与匹配。

　　2.走线间距的大小。一般常看到的间距为两倍线宽。可以透过仿真来知道走线间距对时序及信号完整性的影响，找出可容忍的最小间距。不同芯片信号的结果可能不同。

　　3.选择适当的端接方式。

　　4.避免上下相邻两层的走线方向相同，甚至有走线正好上下重迭在一起，因为这种串扰比同层相邻走线的情形还大。

　　5.利用盲埋孔（blind/buried via）来增加走线面积。但是PCB板的制作成本会增加。

　　在实际执行时确实很难达到完全平行与等长，不过还是要尽量做到。除此以外，可以预留差分端接和共模端接，以缓和对时序与信号完整性的影响。

　　6、电源滤波的讲究

　　问：请问，模拟电源处的滤波经常是用LC电路。但是，我发现有时LC比RC滤波效果差，请问这是为什么，滤波时选用电感，电容值的方法是什么？

　　答; LC与RC滤波效果的比较必须考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是否恰当。 因为电感的感抗（reactance）大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声频率较低，而电感值又不够大，这时滤波效果可能不如RC。但是，使用RC滤波要付出的代价是电阻本身会耗能，效率较差，且要注意所选电阻能承受的功率。

　　电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外，还要考虑瞬时电流的反应能力。如果LC的输出端会有机会需要瞬间输出大电流，则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度，增加纹波噪声（ripple noise）。

　　电容值则和所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容的ESR/ESL也会有影响。

　　另外，如果这LC是放在开关式电源（switching regulation power）的输出端时，还要注意此LC所产生的极点零点（pole/zero）对负反馈控制（negative feedback control）回路稳定度的影响。

　　7、多个数/模地的接法

　　问：当一块PCB板中有多个数/模功能块时，常规做法是要将数/模地分开，并分别在一点相连。这样，一块PCB板上的地将被分割成多块，而且如何相互连接也大成问题。但有人采用另外一种办法，即在确保数/模分开布局，且数/模信号走线相互不交叉的情况下，整个PCB板地不做分割，数/模地都连到这个地平面上，这样做有何道理，请专家指教。

　　答 将数/模地分开的原因是因为数字电路在高低电位切换时会在电源和地产生噪声，噪声的大小跟信号的速度及电流大小有关。如果地平面上不分割且由数字区域电路所产生的噪声较大而模拟区域的电路又非常接近，则即使数模信号不交叉， 模拟的信号依然会被地噪声干扰。也就是说数模地不分割的方式只能在模拟电路区域距产生大噪声的数字电路区域较远时使用。另外，数模信号走线不能交叉的要求是因为速度稍快的数字信号其返回电流路径（return current path）会尽量沿着走线的下方附近的地流回数字信号的源头，若数模信号走线交叉，则返回电流所产生的噪声便会出现在模拟电路区域内

　　8、线路板设计与EMC！

　　问：线路板设计如果考虑EMC，必定提高不少成本。请问如何尽可能的答道EMC要求，又不致带太大的成本压力？谢谢。

　　答：PCB板上会因EMC而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外，通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过EMC的要求。以下仅就PCB板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。

　　1、尽可能选用信号斜率（slew rate）较慢的器件，以降低信号所产生的高频成分。 2、注意高频器件摆放的位置，不要太靠近对外的连接器。

　　3、注意高速信号的阻抗匹配，走线层及其回流电流路径（return current path）， 以减少高频的反射与辐射。

　　4、在各器件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需。

　　5、对外的连接器附近的地可与地层做适当分割，并将连接器的地就近接到chassis ground。

　　6、可适当运用ground guard/shunt traces在一些特别高速的信号旁。但要注意guard/shunt traces对走线特性阻抗的影响。

　　7、电源层比地层内缩20H，H为电源层与地层之间的距离。

　　9、GSM 手机PCB设计

　　问 ： 请问专家GSM手机PCB设计有什么要求和技巧？

　　答： 手机PCB设计上的挑战在于两个地方：一是板面积小，二是有RF的电路。因为可用的板面积有限，而又有数个不同特性的电路区域，如RF电路、电源电路、 话音模拟电路、一般的数字电路等，它们都各有不同的设计需求。

　　1、首先必须将RF与非RF的电路在板子上做适当的区隔。因为RF的电源、地、及阻抗设计规范较严格。

　　2、因为板面积小，可能需要用盲埋孔（blind/buried via）以增加走线面积。

　　3、注意话音模拟电路的走线，不要被其它数字电路，RF电路等产生串扰现象。 除了拉大走线间距外，也可使用ground guard trace抑制串扰。

　　4、适当做地层的分割， 尤其模拟电路的地要特别注意，不要被其它电路的地噪声干扰。

　　5、注意各电路区域信号的回流电流路径（return current path）， 避免增加串扰的可能性。

　　10、pcb设计中需要注意哪些问题？

　　答 PCB设计时所要注意的问题随着应用产品的不同而不同。就象数字电路与仿真电路要注意的地方不尽相同那样。以下仅概略的几个要注意的原则。

　　1、PCB层叠的决定;包括电源层、地层、走线层的安排，各走线层的走线方向等。这些都会影响信号品质，甚至电磁辐射问题。

　　2、电源和地相关的走线与过孔（via）要尽量宽，尽量大。

　　3、不同特性电路的区域配置。良好的区域配置对走线的难易，甚至信号质量都有相当大的关系。

　　4、要配合生产工厂的制造工艺来设定DRC （Design Rule Check）及与测试相关的设计（如测试点）。其它与电气相关所要注意的问题就与电路特性有绝对的关系，例如，即便都是数字电路，是否注意走线的特性阻抗就要视该电路的速度与走线长短而定。

　　11、有关高速PCB设计中的EMC、EMI问题

　　问：在高速PCB设计时我们使用的软件都只不过是对设置好的EMC、EMI规则进行检查，而设计者应该从那些方面去考虑EMC、EMI的规则呢怎样设置规则呢我使用的是CADENCE公司的软件。

　　答：一般EMI/EMC设计时需要同时考虑辐射（radiated）与传导（conducted）两个方面. 前者归属于频率较高的部分（>30MHz）后者则是较低频的部分（<30MHz）. 所以不能只注意高频而忽略低频的部分.

　　一个好的EMI/EMC设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置, PCB迭层的安排, 重要联机的走法, 器件的选择等, 如果这些没有事前有较佳的安排, 事后解决则会事倍功半, 增加成本. 例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器, 高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射, 器件所推的信号之斜率（slew rate）尽量小以减低高频成分, 选择去耦合（decoupling/bypass）电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声. 另外, 注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小（也就是回路阻抗loop impedance尽量小）以减少辐射. 还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围. 最后, 适当的选择PCB与外壳的接地点（chassis ground）。

　　12、关于PCB设计中的阻抗匹配问题

　　问：在高速PCB设计时为了防止反射就要考虑阻抗匹配，但由于PCB的加工工艺限制了阻抗的连续性而仿真又仿不到，在原理图的设计时怎样来考虑这个问题？另外关于IBIS模型，不知在那里能提供比较准确的IBIS模型库。我们从网上下载的库大多数都不太准确，很影响仿真的参考性。

　　答：在设计高速PCB电路时，阻抗匹配是设计的要素之一。而阻抗值跟走线方式有绝对的关系， 例如是走在表面层（microstrip）或内层（stripline/double stripline），与参考层（电源层或地层）的距离，走线宽度，PCB材质等均会影响走线的特性阻抗值。也就是说要在布线后才能确定阻抗值。一般仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的布线情况，这时候在原理图上只能预留一些terminators（端接），如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续的效应。真正根本解决问题的方法还是布线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。

　　IBIS模型的准确性直接影响到仿真的结果。基本上IBIS可看成是实际芯片I/O buffer等效电路的电气特性资料，一般可由SPICE模型转换而得 （亦可采用测量， 但限制较多），而SPICE的资料与芯片制造有绝对的关系，所以同样一个器件不同芯片厂商提供，其SPICE的资料是不同的，进而转换后的IBIS模型内之资料也会随之而异。也就是说，如果用了A厂商的器件，只有他们有能力提供他们器件准确模型资料，因为没有其它人会比他们更清楚他们的器件是由何种工艺做出来的。如果厂商所提供的IBIS不准确， 只能不断要求该厂商改进才是根本解决之道。

　　13、PCB设计工具比较

　　问：请问就你个人观点而言：针对模拟电路（微波、高频、低频）、数字电路（微波、高频、低频）、模拟和数字混合电路（微波、高频、低频），目前PCB设计哪一种EDA工具有较好的性能价格比（含仿真）？可否分别说明。

　　答：限于本人应用的了解，无法深入地比较EDA工具的性能价格比，选择软件要按照所应用范畴来讲，我主张的原则是够用就好。

　　常规的电路设计，INNOVEDA 的 PADS 就非常不错，且有配合用的仿真软件，而这类设计往往占据了70%的应用场合。在做高速电路设计，模拟和数字混合电路，采用Cadence的解决方案应该属于性能价格比较好的软件，当然Mentor的性能还是非常不错的，特别是它的设计流程管理方面应该是最为优秀的。

　　以上观点纯属个人观点！

　　14、关于数/模分开布局与智能布局

　　问：当一个系统中既存在有RF小信号，又有高速时钟信号时，通常我们采用数/模分开布局，通过物理隔离、滤波等方式减少电磁干扰，但是这样对于小型化、高集成以及减小结构加工成本来说当然不利，而且效果仍然不一定满意，因为不管是数字接地还是模拟接地点，最后都会接到机壳地上去，从而使得干扰通过接地耦合到前端，这是我们非常头痛的问题，想请教专家这方面的措施。

　　答：既有RF小信号，又有高速时钟信号的情况较为复杂，干扰的原因需要做仔细的分析，并相应的尝试用不同的方法来解决。要按照具体的应用来看，可以尝试一下以下的方法。0：存在RF小信号，高速时钟信号时，首先是要将电源的供应分开，不宜采用开关电源，可以选用线性电源。

　　1：选择RF小信号，高速时钟信号其中的一种信号，连接采用屏蔽电缆的方式，应该可以。

　　2：将数字的接地点与电源的地相连（要求电源的隔离度较好）,模拟接地点接到机壳地上。

　　3：尝试采用滤波的方式去除干扰。

来源：greattong