高速PCB設計入門概念問答集

高速PCB設計入門概念問答集

　　要做高速的PCB設計，首先必須明白下面的一些基本概念，這是基礎。

　　1、什么是電磁干擾（EMI）和電磁兼容性(EMC)?

　　(Electromagnetic Interference)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。 傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。

    自從電子系統降噪技術在70年代中期出現以來，主要由于美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。

    2、什么是信號完整性(signal integrity)?

    信號完整性是指信號在信號線上的質量。信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時候，具有所必需達到的電壓電平數值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。常見信號完整性問題及解決方法

問    題
 可 能 原 因
 解 決 方 法
 其 他 解 決 方 法
 
過大的上沖
 終端阻抗不匹配
 終端端接
 使用上升時間緩慢的驅動源
 
直流電壓電平不好
 線上負載過大
 以交流負載替換直流負載
 在接收端端接，重新布線或檢查地平面
 
過大的串擾
 線間耦合過大
 使用上升時間緩慢的發送驅動器
 使用能提供更大驅動電流的驅動源
 
時延太大
 傳輸線距離太長
 替換或從新部線，檢查串行端接
 使用阻抗匹配的驅動源，變更布線策略
 
振蕩
 阻抗不匹配
 在發送斷串接阻尼電阻
 　
　　3、什么是反射(reflection)?

　　反射就是在傳輸線上的回波。信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸到線上并達到負載處，但是有一部分被反射了。如果源端與負載端具有相同的阻抗，反射就不會發生了。

    源端與負載端阻抗不匹配會引起線上反射，負載將一部分電壓反射回源端。如果負載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負，反之，如果負載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經過連接器的傳輸及電源平面的不連續等因素的變化均會導致此類反射。

    4、什么是串擾(crosstalk)?

    串擾是兩條信號線之間的耦合，信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發耦合電流，而感性耦合引發耦合電壓。PCB板層的參數、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性及線端接方式對串擾都有一定的影響。

    5、什么是過沖(overshoot)和下沖(undershoot)?

    過沖就是第一個峰值或谷值超過設定電壓——對于上升沿是指最高電壓而對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。過分的過沖能夠引起保護二極管工作，導致過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數據錯誤(誤操作)。

    6、什么是振蕩(ringing)和環繞振蕩（rounding）?

    振蕩的現象是反復出現過沖和下沖。信號的振蕩和環繞振蕩由線上過度的電感和電容引起，振蕩屬于欠阻尼狀態而環繞振蕩屬于過阻尼狀態。信號完整性問題通常發生在周期信號中，如時鐘等，振蕩和環繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當的端接予以減小，但是不可能完全消除。

    7、什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲?

    在電路中有大的電流涌動時會引起地平面反彈噪聲（簡稱為地彈），如大量芯片的輸出同時開啟時，將有一個較大的瞬態電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會引發電源噪聲，這樣會在真正的地平面（0V）上產生電壓的波動和變化，這個噪聲會影響其它元器件的動作。負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增大、同時開關器件數目的增加均會導致地彈的增大。

    由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等，當數字信號走到模擬地線區域時，就會產生地平面回流噪聲。同樣電源層也可能會被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在多電壓PCB設計中，地電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關心。

    8、在時域(time domain)和頻域(frequency domain)之間有什么不同?

    時域(time domain)是以時間為基準的電壓或電流的變化的過程，可以用示波器觀察到。它通常用于找出管腳到管腳的延時(delays)、偏移(skew)、過沖(overshoot)、、下沖(undershoot)以及建立時間(settling times)。

    頻域(frequency domain)是以頻率為基準的電壓或電流的變化的過程，可以用頻譜分析儀觀察到。它通常用于波形與FCC和其它EMI控制限制之間的比較。
    9、什么是阻抗(impedance)?

    阻抗是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。當一個源送出一個信號到線上，它將阻礙它驅動，直到2*TD時，源并沒有看到它的改變，在這里TD是線的延時(delay)。

    10、什么是建立時間(settling time)?

    建立時間就是對于一個振蕩的信號穩定到指定的最終值所需要的時間。

    11、什么是管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(delay)?

    管腳到管腳延時是指在驅動器端狀態的改變到接收器端狀態的改變之間的時間。這些改變通常發生在給定電壓的50%，最小延時發生在當輸出第一個越過給定的閾值(threshold)，最大延時發生在當輸出最后一個越過電壓閾值(threshold) ，測量所有這些情況。

    12、什么是偏移(skew)?

    信號的偏移是對于同一個網絡到達不同的接收器端之間的時間偏差。偏移還被用于在邏輯門上時鐘和數據達到的時間偏差。

    13、什么是斜率(slew rate)?

    Slew rate就是邊沿斜率(一個信號的電壓有關的時間改變的比率)。I/O 的技術規范 (如PCI)狀態在兩個電壓之間，這就是斜率(slew rate)，它是可以測量的。

    14、什么是靜態線(quiescent line)?

    在當前的時鐘周期內它不出現切換。另外也被稱為 "stuck-at" 線或static線。串擾(Crosstalk)能夠引起一個靜態線在時鐘周期內出現切換。
 
    15、什么是假時鐘(false clocking)?

    假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(有時在VIL 或VIH之間)。通常由于過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。