通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得高速PCB設(shè)計(jì)進(jìn)入了千兆位領(lǐng)域，新的高速器件應(yīng)用使得如此高的速率在背板和單板上的長距離傳輸成為可能，但與此同時(shí)，PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問題(SI)、電源完整性以及電磁兼容方面的問題也更加突出。信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上傳輸?shù)馁|(zhì)量，主要問題包括反射、振蕩、時(shí)序、地彈和串?dāng)_等。信號(hào)完整性差不是由某個(gè)單一因素導(dǎo)致，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起。在千兆位設(shè)備的PCB板設(shè)計(jì)中，一個(gè)好的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)要求工程師全面考慮器件、傳輸線互聯(lián)方案、電源分配以及EMC方面的問題。高速PCB設(shè)計(jì)EDA工具已經(jīng)從單純的仿真驗(yàn)證發(fā)展到設(shè)計(jì)和驗(yàn)證相結(jié)合，幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)早期設(shè)定規(guī)則以避免錯(cuò)誤而不是在設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)問題。隨著數(shù)據(jù)速率越來越高設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，高速PCB系統(tǒng)分析工具變得更加必要，這些工具包括時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、設(shè)計(jì)空間參數(shù)掃描分析、EMC設(shè)計(jì)、電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等。這里我們將著重討論在千兆位設(shè)備PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析應(yīng)考慮的一些問題。高速器件與器件模型盡管千兆位發(fā)送與接收元器件供應(yīng)商會(huì)提供有關(guān)芯片的設(shè)計(jì)資料，但是器件供應(yīng)商對(duì)于新器件信號(hào)完整性的了解也存在一個(gè)過程，這樣器件供應(yīng)商給出的設(shè)計(jì)指南可能并不成熟，還有就是器件供應(yīng)商給出的設(shè)計(jì)約束條件通常都是非?？量痰?，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說要滿足所有的設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)非常困難。所以就需要信號(hào)完整性工程師運(yùn)用仿真分析工具對(duì)供應(yīng)商的約束規(guī)則和實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，考察和優(yōu)化元器件選擇、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、匹配方案、匹配元器件的值，并最終開發(fā)出確保信號(hào)完整性的PCB布局布線規(guī)則。因此，千兆位信號(hào)的精確仿真分析變得十分重要，而器件模型在信號(hào)完整性分析工作中的作用也越來越得到重視。

開發(fā)PCB電路板1.布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，PCB電路板生產(chǎn)商則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。(2)某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。(3)應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能單元.對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產(chǎn)。(4)位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。

(一) 畫好原理圖很多工程師都覺得layout工作更重要一些，原理圖就是為了生成網(wǎng)表方便PCB做檢查用的。其實(shí)，在后續(xù)電路調(diào)試過程中原理圖的作用會(huì)更大一些。無論是查找問題還是和同事交流，還是原理圖更直觀更方便。另外養(yǎng)成在原理圖中做標(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時(shí)候要注意到的問題標(biāo)注在原理圖上，對(duì)自己或者對(duì)別人都是一個(gè)很好的提醒。層次化原理圖，把不同功能不同模塊的電路分成不同的頁，這樣無論是讀圖還是以后重復(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計(jì)總是要比設(shè)計(jì)新電路的風(fēng)險(xiǎn)小。每次看到把所有電路都放在一張圖紙上，一片密密麻麻的器件，腦袋就能大一圈。(二) 好好進(jìn)行電路布局心急的工程師畫完原理圖，把網(wǎng)表導(dǎo)入PCB后就迫不及待的把器件放好，開始拉線。其實(shí)一個(gè)好的PCB布局能讓你后面的拉線工作變得簡單，讓你的PCB工作的更好。每一塊板子都會(huì)有一個(gè)信號(hào)路徑，PCB布局也應(yīng)該盡量遵循這個(gè)信號(hào)路徑，讓信號(hào)在板子上可以順暢的傳輸，人們都不喜歡走迷宮，信號(hào)也一樣。如果原理圖是按照模塊設(shè)計(jì)的，PCB也一樣可以。按照不同的功能模塊可以把板子劃分為若干區(qū)域。模擬數(shù)字分開，電源信號(hào)分開，發(fā)熱器件和易感器件分開，體積較大的器件不要太靠近板邊，注意射頻信號(hào)的屏蔽等等……多花一分的時(shí)間去優(yōu)化PCB的布局，就能在拉線的時(shí)候節(jié)省更多的時(shí)間。

如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號(hào)反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號(hào)的幅度必然超標(biāo)。至于對(duì)信號(hào)造成多大影響，還和信號(hào)上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個(gè)端點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號(hào)為1V，第Y次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號(hào)，有多大影響，和阻抗變化處的時(shí)延以及信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間的20%，反射信號(hào)就不會(huì)造成問題。如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns，那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對(duì)應(yīng)1.2英寸，反射就不會(huì)產(chǎn)生問題。也就是說，對(duì)于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會(huì)有問題。

在基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的PCB設(shè)計(jì)方法中，最為核心的部分就是PCB板級(jí)信號(hào)完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計(jì)的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計(jì)方法的可行性。目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級(jí)模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是建模和使用簡單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級(jí)模型是一個(gè)選擇。缺點(diǎn)是精度較差，一致性不能保證，受測試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE 模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級(jí)別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長。一般驅(qū)動(dòng)器和接收器的模型由器件廠商提供，傳輸線的模型通常從場分析器中提取，封裝和連接器的模型即可以由場分析器提取，又可以由制造廠商提供。在電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型，其中最為常用的有三種，分別是SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。

PCB布局規(guī)則1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊;元件排列要緊湊，元件在整個(gè)版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時(shí)，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。PCB設(shè)計(jì)設(shè)置技巧PCB設(shè)計(jì)在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局;對(duì)于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對(duì)于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對(duì)齊和布局的美觀。PCB設(shè)計(jì)布局技巧在PCB的布局設(shè)計(jì)中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：1、按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。2、以每個(gè)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產(chǎn)。