今天給大家分享的是：高速 PCB 設(shè)計(jì)

主要是關(guān)于4 個(gè)高速 PCB 設(shè)計(jì)常見術(shù)語(yǔ)和保證信號(hào)完整性的3 種常見技術(shù)介紹。

一、高速 PCB 設(shè)計(jì)常見術(shù)語(yǔ)

1、轉(zhuǎn)換率

這里要明白一個(gè)點(diǎn)，不存在從關(guān)到開的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變，電壓必須是從低電平轉(zhuǎn)換到高電平，雖然速度很快，但也會(huì)通過(guò)這中間的所有電壓。

在轉(zhuǎn)換器期間的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它是1.8V，而在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)是2.5V。電壓從低狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高狀態(tài)的速度稱為轉(zhuǎn)換速率。

2、速度

電信號(hào)也有速度限制-光速，光速非常快?？紤]到1GHz 信號(hào)的周期為 1ns（1 納秒），光的傳播速度約為 0.3 m/ns，即 30 cm/ns，意味著在 30 cm 長(zhǎng)的導(dǎo)體上，當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖在其開始處生成時(shí)，1GHz 信號(hào)的第一個(gè)時(shí)鐘脈沖剛剛到達(dá)導(dǎo)體的另一端。

假設(shè)為 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)生成第三個(gè)脈沖，如果是 3GHz，30cm 導(dǎo)體，意味著單個(gè) 30cm 導(dǎo)體在其長(zhǎng)度內(nèi)包含3 個(gè)脈沖、3 個(gè)高狀態(tài)和低狀態(tài)。

信號(hào)傳輸不是瞬時(shí)

3、可靠性

每當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，。相反，當(dāng)磁場(chǎng)穿過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在該導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電壓。因此電路中的所有導(dǎo)體（通常是 PCB上的走線）都能產(chǎn)生和接受電磁干擾，可能會(huì)導(dǎo)致走線傳輸?shù)男盘?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，能夠生成和接受無(wú)線電信號(hào)，可能會(huì)使軌道承載的信號(hào)失真。

4、阻抗

在上面已經(jīng)講到過(guò)，電信號(hào)不是瞬時(shí)，實(shí)際上在導(dǎo)體中以波的形式傳播。在 3GHz / 30cm 跡線示例中，任何給定時(shí)間導(dǎo)體內(nèi)都有 3 個(gè)波（波峰和波谷）。

波會(huì)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”。

這里想象一下，我們的導(dǎo)體就像充滿水的運(yùn)河/通道。波在通道的一端產(chǎn)生，并沿著通道（以接近光速）傳播到另一端。通道本來(lái)有100cm寬，但在某個(gè)時(shí)刻突然變窄到只有1cm寬，當(dāng)我們的波到達(dá)突然變窄的部分（本質(zhì)上是一堵有小縫隙的墻壁），大部分波會(huì)被反彈回來(lái)狹窄的部分（墻壁）并向后朝向發(fā)射器。

由于寬度變化而產(chǎn)生的波反射

如果運(yùn)河/通道內(nèi)有多個(gè)狹窄部分，就會(huì)有多次反射反彈，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）因此，重要的是通道的寬度/高度沿其長(zhǎng)度盡可能保持恒定，避免反射。

寬度的多次變化會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量

也就是阻抗，是導(dǎo)體的電阻、電容和電感的函數(shù)。對(duì)于高速設(shè)計(jì)，我們希望走線的阻抗沿其長(zhǎng)度盡可能保持一致，另外一件需要考慮的事情，特別是在總線拓?fù)渲?，我們希?strong style="border-width:0px;">在接收器處停止波，而不是讓它再次反彈。

這通常是通過(guò)終端電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，終端電阻會(huì)吸收末端波的能量總線（例如RS485）

二、信號(hào)完整性

在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮回轉(zhuǎn)、速度、磁干擾和阻抗。

在 PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮阻信號(hào)完整性意味著要考慮所有的這些因素，并且在PCB上采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策。

下面是 PCB 設(shè)計(jì)中使用的幾種常見技術(shù)。

1、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)，可能具有8條/更多數(shù)據(jù)線的并行總線，那就必須確保信號(hào)全部到達(dá)接收器同時(shí)。

現(xiàn)在已經(jīng)知道電信號(hào)不會(huì)瞬時(shí)傳播，那我們就可以理解，如果多個(gè)信號(hào)在不同長(zhǎng)度的軌道上傳播，那么將在不同時(shí)間到達(dá)接收器。（即使它們是在完全相同的時(shí)間傳輸?shù)模?/span>

不均勻的軌道長(zhǎng)度可能會(huì)導(dǎo)致接收器發(fā)出不正確的信號(hào)

考慮具有條時(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)的多，則B線上時(shí)鐘脈沖#1的信號(hào)可能與B線上時(shí)鐘脈沖#2的信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收器，一條線路到達(dá)接收器，一條線路到達(dá)那里，完全扭曲和破壞了通訊。

軌道 A 和 B 的長(zhǎng)度不同

另一種可視化的方法是想象很多人在兩條不同的跑道上跑步，每個(gè)人只能攜帶一半的信息，并且信息會(huì)在終點(diǎn)線重新組裝。如果人以相同的速度行進(jìn)，并且軌道的長(zhǎng)度相同，那么將同時(shí)到達(dá)目的地，并且接收者可以正確地重新組裝文件。

但是，如果軌道長(zhǎng)度不同，那么人不會(huì)同時(shí)到達(dá)，文件沒有辦法很容易就重新組裝。

因此多線通信信號(hào)中的軌道長(zhǎng)度相同非常重要，也就是軌道長(zhǎng)度匹配或者網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧。

這里特意增加了軌道A的長(zhǎng)度，以便從源到接收器的距離與軌道B相同

2、差分對(duì)

差分對(duì)是一種高度不受電磁干擾的通信技術(shù)。最常見且最容易識(shí)別的是實(shí)現(xiàn)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)體上使用推拉技術(shù)-一個(gè)推，另一個(gè)拉，如果一條線為高，那么另一條線一定為低，反之亦然。

差分對(duì)中的信號(hào)通過(guò)任一導(dǎo)體上的電壓之間的差來(lái)測(cè)量。差分對(duì)的布線嚴(yán)格彼此平行且同相。

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)彎曲（導(dǎo)致外軌道比內(nèi)軌道采用更長(zhǎng)的路徑），那么內(nèi)軌道必須人為低添加一點(diǎn)額外的長(zhǎng)度，盡快回到其軌道，以便盡快使平行對(duì)的起點(diǎn)/終點(diǎn)的總距離再次均衡。

彎曲差分對(duì)的布線

添加軌道以保持配對(duì)同相

添加軌道以保持配對(duì)同相

差分對(duì)可能遇到的干擾都應(yīng)該同等地影響兩條軌道，這樣，它們之前的差異才能保持恒定且可靠。

保持軌道相同非常重要，如果軌道總的某一特定點(diǎn)受到電磁干擾，就會(huì)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)的峰值可能受到影響，而信號(hào)另一側(cè)的波谷可能受到影響。

只要兩條信號(hào)線同相，干擾就會(huì)同等影響它們

3、過(guò)孔縫合和屏蔽

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“覆銅層”）被放置在多個(gè) PCB 層上圍繞一個(gè)或多個(gè)軌道，然后使用過(guò)孔將這些電源層層縫合在一起，從而產(chǎn)生以下效果。

通過(guò)屏蔽差分對(duì)軌道

較高的轉(zhuǎn)換速率（信號(hào)從“高”到“低”或反之亦然）轉(zhuǎn)換的速度比較低的轉(zhuǎn)換速率產(chǎn)生更多的電磁噪聲。壓擺率本身通常在芯片數(shù)據(jù)表中指定（有時(shí)是可配置的，例如某些微控制器），因此不是由 PCB 設(shè)計(jì)階段決定的，但在屏蔽方面可以對(duì)已知高壓擺率的信號(hào)進(jìn)行屏蔽。

過(guò)孔縫合用于將兩個(gè)電源層“縫合”在一起。這樣做的原因之一是為信號(hào)提供短的“返回路徑”，這對(duì)于阻抗匹配等很重要。

原文鏈接：https://www.labcenter.com/blog/pcb-highspeed-intro/

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