PCB設(shè)計(jì)

如果像我一樣，您有硬件背景，您可能更喜歡將數(shù)字電子產(chǎn)品視為開和關(guān)或高低;那些打開和關(guān)閉的信號(hào)在電路中瞬時(shí)可靠地傳播。通過(guò)二進(jìn)制形式，即時(shí)并且可靠。當(dāng)然，從程序員的角度來(lái)看，這種抽象級(jí)別是在軟件級(jí)別假設(shè)的！然而，隨著時(shí)鐘速度從MHz移動(dòng)到GHz，使用越來(lái)越快的電子設(shè)備，事情并沒(méi)有想象中那么簡(jiǎn)單。在本文中，我們將研究使高速設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的一些因素，以及用于解決這些問(wèn)題的一些技術(shù)。

電壓轉(zhuǎn)換速率

讓我們從電壓轉(zhuǎn)換速率開始。我們需要明白，從“關(guān)閉”到“打開”的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換 - 電壓必須從低電平（例如0V）過(guò)渡到高電平（例如3.3V），通過(guò)兩者之間的所有電壓，即使它這樣做得非常快；在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)它是1.8V，在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)是2.5V，依此類推。電壓從低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換到高電平的速度稱為電壓轉(zhuǎn)換速率。

速度

電信號(hào)也有速度限制——光速。光速為299 792 458 m/s，非常快。然而，考慮到 1GHz 信號(hào)的周期為 1ns（1 納秒），光的傳播速度僅為大約 0.3 m/ns，即 30 cm/ns ; 這意味著在30厘米長(zhǎng)的導(dǎo)體上，1GHz信號(hào)的第一個(gè)時(shí)鐘脈沖在導(dǎo)體開始時(shí)產(chǎn)生下一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)剛剛到達(dá)導(dǎo)體的另一端。如果是3GHz，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到達(dá)導(dǎo)體的另一端時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)源已經(jīng)產(chǎn)生了第三個(gè)脈沖！思考一下（3GHz，30cm導(dǎo)體），這意味著我們的單個(gè)30cm導(dǎo)體在其長(zhǎng)度內(nèi)“包含”3個(gè)脈沖，3個(gè)高低狀態(tài)。這當(dāng)然不是從導(dǎo)體的一端到另一端的瞬時(shí)開/關(guān)！

信號(hào)傳輸不能再被認(rèn)為是瞬時(shí)的了！

可靠性

每當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，它都會(huì)在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng) - 無(wú)論磁場(chǎng)多么小。相反，當(dāng)磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，它會(huì)在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電壓（通過(guò)電動(dòng)勢(shì)）。因此，電路中的所有導(dǎo)體（通常是PCB上的軌道）都能夠產(chǎn)生和接收電磁干擾，這可能會(huì)使軌道承載的信號(hào)失真。PCB上的每個(gè)軌道也可以被視為一個(gè)小型無(wú)線電天線，能夠產(chǎn)生和接收無(wú)線電信號(hào)，這可能會(huì)使軌道承載的信號(hào)失真。

阻抗

如“速度”部分所述，我們的電信號(hào)不是瞬時(shí)的，實(shí)際上是在我們的導(dǎo)體中以波的形式傳播的。在我們的3GHz / 30cm跡線示例中，在任何給定時(shí)間，導(dǎo)體內(nèi)都有3個(gè)波 - 波峰和波谷。波受到各種現(xiàn)象的影響，其中對(duì)我們來(lái)說(shuō)最重要的是“反射”。讓我們想象一下，我們的導(dǎo)體就像充滿水的運(yùn)河/渠道。波在通道的一端產(chǎn)生，并沿著通道（接近光速）到達(dá)另一端。想象一下，我們的通道有100厘米寬，但在某個(gè)時(shí)候它突然變窄到只有1厘米寬——當(dāng)我們的波到達(dá)突然變窄的部分（基本上是一堵有小縫隙的墻）時(shí)，大部分波會(huì)從狹窄的部分（墻）反彈回來(lái)發(fā)射器。

由于寬度變化引起的波反射

如果運(yùn)河/通道內(nèi)有多個(gè)狹窄的部分，那么就會(huì)有多個(gè)反射反彈，干擾信號(hào)。信號(hào)的大部分能量也不會(huì)到達(dá)接收器（至少不會(huì)在正確的時(shí)間到達(dá)）。因此，通道的寬度/高度必須沿其長(zhǎng)度盡可能保持恒定，以避免反射。

寬度的多次變化使信號(hào)變差

在電氣術(shù)語(yǔ)中，這被稱為 "阻抗"，它是導(dǎo)體的電阻、電容和電感的一個(gè)函數(shù)。因此，對(duì)于高速設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們希望盡量保持軌道的阻抗在其長(zhǎng)度上的一致性。另一件需要考慮的事情，特別是在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們希望在接收器處 "停止 "波，而不是讓它再次反彈--這通常是通過(guò)一個(gè)終端電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它在總線的末端吸收波的能量（如RS485）。

信號(hào)完整性

所以現(xiàn)在我們知道所有這些物理效應(yīng)是什么，當(dāng)頻率很高時(shí)，它們可以擾亂我們的信號(hào)。那么這樣的數(shù)字通信是不可靠的，需要在設(shè)計(jì)電路時(shí)開始考慮擺動(dòng)、速度、磁干擾和阻抗。在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮信號(hào)完整性只是意味著考慮所有這些因素，并在電路板上布置對(duì)策，以確保我們的接收器獲得正確的信息。以下是高速PCB設(shè)計(jì)中使用的幾種更常用技術(shù)的簡(jiǎn)短介紹。

長(zhǎng)度匹配軌道

當(dāng)我們的通信信號(hào)使用多條線路時(shí)，例如“時(shí)鐘”和“數(shù)據(jù)”——甚至可能是具有 8 條或更多數(shù)據(jù)線的并行總線——那么我們必須確保所有信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收器。一旦我們了解電信號(hào)不會(huì)瞬時(shí)傳播，那么我們就可以理解，如果多個(gè)信號(hào)在不同長(zhǎng)度的軌道上傳播，那么它們將在不同的時(shí)間到達(dá)接收器（即使它們是在同一時(shí)間傳輸?shù)模?/p>

不均勻的磁道長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致接收器處的信號(hào)不正確

考慮具有 1 條時(shí)鐘線 （C） 和 2 條數(shù)據(jù)線（A 和 B）的通信方案；如果數(shù)據(jù)線B的長(zhǎng)度比數(shù)據(jù)線A的長(zhǎng)度長(zhǎng)得多，那么來(lái)自B線上時(shí)鐘脈沖#1的信號(hào)可能會(huì)與來(lái)自A線上時(shí)鐘脈沖#2的信號(hào)到達(dá)接收器的同時(shí)到達(dá)接收器，完全失真和破壞了通信。

軌道A和B的長(zhǎng)度不同

另一種可視化的方法是想象跑步者在兩條不同的賽道上。每個(gè)跑步者只能攜帶半條消息，并在終點(diǎn)線重新組裝信息。如果跑步者以相同的速度行進(jìn)，并且軌道長(zhǎng)度相同，則它們各自同時(shí)到達(dá)目的地，接收者可以正確重新組裝文檔。但是，如果軌道長(zhǎng)度不同，那么我們的跑步者不會(huì)同時(shí)到達(dá)，并且文檔無(wú)法輕松重新組裝。因此，多線通信信號(hào)中的軌道長(zhǎng)度必須相同，這一點(diǎn)非常重要——這被稱為“軌道長(zhǎng)度匹配”或“網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)”。

特意為軌道 A 添加長(zhǎng)度，以便從源到接收器的距離與軌道 B 相同

差分對(duì)

“差分對(duì)”是一種高度不受電磁干擾（因此是可靠的）的通信技術(shù)。也許最常見且易于識(shí)別的實(shí)現(xiàn)是USB。另一種實(shí)現(xiàn)差分對(duì)的技術(shù)是RS485。差分對(duì)在兩個(gè)平行導(dǎo)體上使用“推挽”技術(shù)——一個(gè)“推”，另一個(gè)“拉”。如果一條線是“高”，那么另一條線必須是“低”的，反之亦然。差分對(duì)中的信號(hào)測(cè)量為任一導(dǎo)體上的電壓之差。差分對(duì)彼此嚴(yán)格平行，并且彼此同相。除了軌道長(zhǎng)度匹配之外，同相要求意味著，如果差分對(duì)繞過(guò)一個(gè)彎道（這將導(dǎo)致外軌道的路徑比內(nèi)軌道更長(zhǎng)），那么內(nèi)軌道必須盡快人為地為其軌道增加一點(diǎn)額外的長(zhǎng)度，以便盡快使平行對(duì)的起點(diǎn)/終點(diǎn)的總距離再次均衡。

差分對(duì)可能遇到的任何干擾都應(yīng)對(duì)兩個(gè)軌道影響程度是一樣的，因此它們之間的差異將保持恒定和可靠。然而，保持軌道同相很重要，這樣如果電磁干擾在軌道的某一點(diǎn)出現(xiàn)，那么它將以相同的方式影響并行信號(hào)。如果信號(hào)異相，則信號(hào)一側(cè)的峰值可能會(huì)受到影響，而信號(hào)另一側(cè)的波谷會(huì)受到影響。

如果信號(hào)線同相，則干擾對(duì)兩條信號(hào)線的影響相同

通孔縫合和屏蔽

顧名思義，通孔屏蔽是一種“屏蔽”軌道免受產(chǎn)生和接收電磁干擾的技術(shù)。“電源層”（也稱為“接地層”或“銅澆注”）放置在多個(gè)PCB層上以圍繞一個(gè)或多個(gè)軌道，然后使用過(guò)孔將這些電源層縫合在一起，在軌道周圍產(chǎn)生“屏蔽”的效果。

通過(guò)屏蔽差分對(duì)軌道

較高的電壓轉(zhuǎn)換速率，即信號(hào)從 "高 "到 "低 "或反之亦然的速度，比低電壓轉(zhuǎn)換速率產(chǎn)生更多電磁噪聲。電壓轉(zhuǎn)換速率本身通常在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定（有時(shí)可配置，例如某些微控制器），因此不由PCB設(shè)計(jì)階段決定，但是在屏蔽方面可以更加關(guān)注具有已知高電壓轉(zhuǎn)換速率的信號(hào)。通孔縫合用于將兩個(gè)電源層“拼接”在一起。其中一個(gè)原因是為信號(hào)提供一條短的“返回路徑”，這對(duì)于阻抗匹配等非常重要。

總 結(jié)

高速設(shè)計(jì)使很多數(shù)字工程師一開始就有點(diǎn)脫離了他們的舒適區(qū)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，二進(jìn)制、即時(shí)和可靠不再是必然的，因此我們需要積極采取措施來(lái)保護(hù)我們?cè)赑CB上的信號(hào)。希望這篇文章能為初學(xué)者解開一些問(wèn)題的神秘面紗，并為未來(lái)的研究提供一些要點(diǎn)。同時(shí)，如果你正在尋找一種能夠幫助你進(jìn)行高速設(shè)計(jì)的CAD工具，那么為什么不仔細(xì)看看Proteus PCB設(shè)計(jì)工具呢！

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