文档介绍：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 ns,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。
. 电源分布网络作为电源
. 阻抗的作用
假设有一块带有数字 IC 和+ 电源的电路板,规格为 5 x 5,目的是将
+ 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)更现实的情况
. 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,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,
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。
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
. 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