在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國工程師。本文通過簡單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測量方法。在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個具有一定長度的導(dǎo)體組成，一個導(dǎo)體用來發(fā)送信號，另一個用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動時，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個電壓波信號沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個信號確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個導(dǎo)體又組成了一個電容器。在下一個0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動時，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結(jié)束整個循環(huán)過程。

隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時候，電源的波動往往會給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時流入地線。此時由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時，此時電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;

尤其在使用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，攔截大量信息所需要的時間顯著低于攔截低速數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間。數(shù)據(jù)雙絞線中的絞合線對在低頻下可以靠自身的絞合來抵抗外來干擾及線對之間的串音，但在高頻情況下(尤其在頻率超過250MHz以上時)，僅靠線對絞合已無法達(dá)到抗干擾的目的，只有屏蔽才能夠抵抗外界干擾。電纜屏蔽層的作用就像一個法拉第護(hù)罩，干擾信號會進(jìn)入到屏蔽層里，但卻進(jìn)入不到導(dǎo)體中。因此，數(shù)據(jù)傳輸可以無故障運(yùn)行。由于屏蔽電纜比非屏蔽電纜具有較低的輻射散發(fā)，因而防止了網(wǎng)絡(luò)傳輸被攔截。屏蔽網(wǎng)絡(luò)(屏蔽的電纜及元器件)能夠顯著減小進(jìn)入到周圍環(huán)境中而可能被攔截的電磁能輻射等級。不同干擾場的屏蔽選擇干擾場主要有電磁干擾及射頻干擾兩種。電磁干擾(EMI)主要是低頻干擾，馬達(dá)、熒光燈以及電源線是通常的電磁干擾源。射頻干擾(RFI)是指無線頻率干擾，主要是高頻干擾。無線電、電視轉(zhuǎn)播、雷達(dá)及其他無線通訊是通常的射頻干擾源。對于抵抗電磁干擾，選擇編織屏蔽最為有效，因其具有較低的臨界電阻;對于射頻干擾,箔層屏蔽最有效,因編織屏蔽依賴于波長的變化，它所產(chǎn)生的縫隙使得高頻信號可自由進(jìn)出導(dǎo)體;而對于高低頻混合的干擾場，則要采用具有寬帶覆蓋功能的箔層加編織網(wǎng)的組合屏蔽方式。通常，網(wǎng)狀屏蔽覆蓋率越高，屏蔽效果就越好。

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%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時間和驅(qū)動端到反射點(diǎn)處信號的時延有關(guān)。但至少這是一個潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時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寬線條的兩個端點(diǎn)處都會發(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，有多大影響，和阻抗變化處的時延以及信號上升時間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時延小于信號上升時間的20%，反射信號就不會造成問題。如果信號上升時間為1ns，那么阻抗變化處的時延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。

香港FPC軟板一個高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的多年經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)FPC軟板所總結(jié)出來的層疊設(shè)計(jì)參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計(jì)基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號層的相對排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號層直接相鄰;