PCB設(shè)計

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)閉的信號在電路中瞬時可靠地傳播。通過二進制形式，即時并且可靠。當然，從程序員的角度來看，這種抽象級別是在軟件級別假設(shè)的！然而，隨著時鐘速度從MHz移動到GHz，使用越來越快的電子設(shè)備，事情并沒有想象中那么簡單。在本文中，我們將研究使高速設(shè)計更加復(fù)雜的一些因素，以及用于解決這些問題的一些技術(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”的瞬時轉(zhuǎn)換 - 電壓必須從低電平（例如0V）過渡到高電平（例如3.3V），通過兩者之間的所有電壓，即使它這樣做得非常快；在轉(zhuǎn)換過程中的某個時間點它是1.8V，在另一個時間點是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厘米長的導(dǎo)體上，1GHz信號的第一個時鐘脈沖在導(dǎo)體開始時產(chǎn)生下一個時鐘脈沖時剛剛到達導(dǎo)體的另一端。如果是3GHz，當?shù)谝粋€脈沖到達導(dǎo)體的另一端時，時鐘信號源已經(jīng)產(chǎn)生了第三個脈沖！思考一下（3GHz，30cm導(dǎo)體），這意味著我們的單個30cm導(dǎo)體在其長度內(nèi)“包含”3個脈沖，3個高低狀態(tài)。這當然不是從導(dǎo)體的一端到另一端的瞬時開/關(guān)！

信號傳輸不能再被認為是瞬時的了！

可靠性

每當電流通過導(dǎo)體時，它都會在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場 - 無論磁場多么小。相反，當磁場通過導(dǎo)體時，它會在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電壓（通過電動勢）。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，這可能會使軌道承載的信號失真。PCB上的每個軌道也可以被視為一個小型無線電天線，能夠產(chǎn)生和接收無線電信號，這可能會使軌道承載的信號失真。

阻抗

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

由于寬度變化引起的波反射

如果運河/通道內(nèi)有多個狹窄的部分，那么就會有多個反射反彈，干擾信號。信號的大部分能量也不會到達接收器（至少不會在正確的時間到達）。因此，通道的寬度/高度必須沿其長度盡可能保持恒定，以避免反射。

寬度的多次變化使信號變差

在電氣術(shù)語中，這被稱為 "阻抗"，它是導(dǎo)體的電阻、電容和電感的一個函數(shù)。因此，對于高速設(shè)計來說，我們希望盡量保持軌道的阻抗在其長度上的一致性。另一件需要考慮的事情，特別是在總線拓撲結(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--這通常是通過一個終端電阻來實現(xiàn)的，它在總線的末端吸收波的能量（如RS485）。

信號完整性

所以現(xiàn)在我們知道所有這些物理效應(yīng)是什么，當頻率很高時，它們可以擾亂我們的信號。那么這樣的數(shù)字通信是不可靠的，需要在設(shè)計電路時開始考慮擺動、速度、磁干擾和阻抗。在PCB設(shè)計過程中考慮信號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)計中使用的幾種更常用技術(shù)的簡短介紹。

長度匹配軌道

當我們的通信信號使用多條線路時，例如“時鐘”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同時到達接收器。一旦我們了解電信號不會瞬時傳播，那么我們就可以理解，如果多個信號在不同長度的軌道上傳播，那么它們將在不同的時間到達接收器（即使它們是在同一時間傳輸?shù)模?/p>

不均勻的磁道長度會導(dǎo)致接收器處的信號不正確

考慮具有 1 條時鐘線 （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的長度比數(shù)據(jù)線A的長度長得多，那么來自B線上時鐘脈沖#1的信號可能會與來自A線上時鐘脈沖#2的信號到達接收器的同時到達接收器，完全失真和破壞了通信。

軌道A和B的長度不同

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

特意為軌道 A 添加長度，以便從源到接收器的距離與軌道 B 相同

差分對

“差分對”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別的實現(xiàn)是USB。另一種實現(xiàn)差分對的技術(shù)是RS485。差分對在兩個平行導(dǎo)體上使用“推挽”技術(shù)——一個“推”，另一個“拉”。如果一條線是“高”，那么另一條線必須是“低”的，反之亦然。差分對中的信號測量為任一導(dǎo)體上的電壓之差。差分對彼此嚴格平行，并且彼此同相。除了軌道長度匹配之外，同相要求意味著，如果差分對繞過一個彎道（這將導(dǎo)致外軌道的路徑比內(nèi)軌道更長），那么內(nèi)軌道必須盡快人為地為其軌道增加一點額外的長度，以便盡快使平行對的起點/終點的總距離再次均衡。

差分對可能遇到的任何干擾都應(yīng)對兩個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出現(xiàn)，那么它將以相同的方式影響并行信號。如果信號異相，則信號一側(cè)的峰值可能會受到影響，而信號另一側(cè)的波谷會受到影響。

如果信號線同相，則干擾對兩條信號線的影響相同

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PCB層上以圍繞一個或多個軌道，然后使用過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。

通過屏蔽差分對軌道

較高的電壓轉(zhuǎn)換速率，即信號從 "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)手冊中指定（有時可配置，例如某些微控制器），因此不由PCB設(shè)計階段決定，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。通孔縫合用于將兩個電源層“拼接”在一起。其中一個原因是為信號提供一條短的“返回路徑”，這對于阻抗匹配等非常重要。

總 結(jié)

高速設(shè)計使很多數(shù)字工程師一開始就有點脫離了他們的舒適區(qū)。對于數(shù)字信號來說，二進制、即時和可靠不再是必然的，因此我們需要積極采取措施來保護我們在PCB上的信號。希望這篇文章能為初學(xué)者解開一些問題的神秘面紗，并為未來的研究提供一些要點。同時，如果你正在尋找一種能夠幫助你進行高速設(shè)計的CAD工具，那么為什么不仔細看看Proteus PCB設(shè)計工具呢！

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