高速PCB板设计技术一

如今，许多系统设计中最重要的因素就是速度问题。 66MHz 到200MHz 处理器是很普通的；233-266MHz的处理器也变得轻易就可得到。对于高速度的要求主要来自：

a)  要求系统在令用户感到舒适的、很短时间内就能完成复杂的任务。

b)  元件供应商有能力提供高度速的设备。

对 a 举例：即使产生最基本的计算机动画，也需要先计算大量的数据。目前，传播延迟4.5ns 的可编程 pld 设备已经出现，像 mach 这样的传播延迟 5ns 的复杂 plds 也已经存在。尽管它们看起来已经很快了，但是，使发展有潜力的并不是这些传播延迟绝对值，而是传播延迟可能达到的边缘极值（edge rate） 。将来会出现更快的设备，它们将具备更快的边缘极值。

设计高速系统并不仅仅需要高速元件，更需要天才和仔细的设计方案。设备模拟方面的重要性与数字方面是一样的。在高速系统中，噪声问题是一个最基本的考虑。高频会产生辐射进而产生干扰。边缘极值的速度可以产生振铃，反射以及串扰。如果不加抑制的话，这些噪声会严重损害系统的性能。

本文讲述了使用pcb-板设计高速系统的一般原则，包括：

l         电源分配系统及其对 boardinghouse产生的影响

l         传输线极其相关设计准则

l         串扰（crosstalk）极其消除

l         电磁干扰

1．    电源分配

设计高速系统板时需要考虑的重要问题就是电源分配网络。对一个无噪声系统来说，它必须有一个无噪声的电源分配网络。记住，如果想开发一个干净的 VCC， 那么得到一个干净的地就是十分必要的。对 AC 这个目的来说（这将是本文的讨论重点） ，VCC 就是基础地。

1.1 电源分配网络作为动力源

1.1.1 阻抗的作用

让我们考虑一块 5*5 的板子，数字 ICs，并有一个＋5.0V 的电源。我们的目的是给位于板子上每一个设备管脚提供正好是＋5V 的电压，不管这些设备管脚在板子上与电源的距离如何。再进一步，每个管脚上的电压应该是没有线噪声（Line noise）的。

具有这些性质的电源表现为一个理想电压源（图 1a） ，它的阻抗为零。零阻抗可以保证负载与电压源恰好相等。 它还意味着噪音信号将被吸收， 因为噪音发生器有最小阻抗的极限。很不幸，这只是个理想条件。

图 1b 画出的是一个真正的电源，它有一定的以电阻，电感或者电容形式存在的阻抗。它们分布在整个电源分配系统中。因为有了阻抗，噪音信号也加入了电压（voltage）中。

图 1.1 电源模型

我们的设计目的是尽可能减小网络中的阻抗。有两种方法：电源总线法（power  buses）和电源位面法(power  planes)。一般来说，电源位面法较之电源总线法有着比较好的阻抗特征，不过，就实用性来说，总线法更好一些。

1.1.2 电源总线法 vs 电源位面法

图 1.2 电源总线法和位面法模型

两种电源分配方案分别用上图 2 的a 和b 表示。

一个总线系统（图 2a）是由一组根据系统设备要求不同而具有不同电压级别的线路组成的。从逻辑上讲，典型的应该是+5V 和地线。每种电压级别所需的线路数目根据系统的不同而不同。

一个电源位面系统（图 2b）是由多个涂满金属的层（或者层的部分）组成的。每个不同电压级别需要一个单独的层。金属层上面唯一的缝隙，是为了布置管脚和信号过孔用的。 

早期设计更倾向于总线方法，因为把整个层用作电源分配，成本比较高。电源总线与信号线分享那些层。总线需要给所有的设备提供电源，而且还要给信号线留出空间；于是，总线必须是很长很窄的带子。这使得在较小的交叉范围内产生一些小阻抗。

尽管这些阻抗很小，但是仍然很重要。一块最简单的PCB板也会有 20 到 30 个 IC。如果一个带有 20 个 IC 的板子上，每个设备有 200mA，那么总电流将为 4A。那么总线上 1.125欧姆的小阻抗将会造成 0.5V 的电压损失。如果供应的总电压是 5V 的话，那么总线上最后一个设备仅能得到 4.5V 的电压。

因为电源位面系统使用的是整个层，那么它的唯一限制就是板子的尺寸问题。带有同样多设备的系统，电源位面上的阻抗只是总线系统上的阻抗的一个零头。因此，电源位面系统似乎比总线系统更可能为整个系统提供全电压。

在总线上，电流被限制在总线的路线上。每个高速设备产生的线路噪声都将被带入这条线路中其他的设备。如图 2a 的板子，噪声由 U9产生，经总线带给 U7。

电源位面系统中，电流不受线路控制，分布在整个层上。由于整体阻抗小，电源位面系统比总线系统的噪声更小。