PCB設計

如果像我一樣，您有硬件背景，您可能更喜歡將數字電子產品視為開和關或高低;那些打開和關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計更加復雜的一些因素，以及用于解決這些問題的一些技術。

電壓轉換速率

讓我們從電壓轉換速率開始。我們需要明白，從“關閉”到“打開”的瞬時轉換 - 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。電壓從低電平狀態轉換到高電平的速度稱為電壓轉換速率。

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厘米長的導體上，1GHz信號的第一個時鐘脈沖在導體開始時產生下一個時鐘脈沖時剛剛到達導體的另一端。如果是3GHz，當第一個脈沖到達導體的另一端時，時鐘信號源已經產生了第三個脈沖！思考一下（3GHz，30cm導體），這意味著我們的單個30cm導體在其長度內“包含”3個脈沖，3個高低狀態。這當然不是從導體的一端到另一端的瞬時開/關！

信號傳輸不能再被認為是瞬時的了！

可靠性

每當電流通過導體時，它都會在該導體周圍產生磁場 - 無論磁場多么小。相反，當磁場通過導體時，它會在該導體內產生電壓（通過電動勢）。因此，電路中的所有導體（通常是PCB上的軌道）都能夠產生和接收電磁干擾，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，導體內都有3個波 - 波峰和波谷。波受到各種現象的影響，其中對我們來說最重要的是“反射”。讓我們想象一下，我們的導體就像充滿水的運河/渠道。波在通道的一端產生，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）反彈回來發射器。

由于寬度變化引起的波反射

如果運河/通道內有多個狹窄的部分，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

在電氣術語中，這被稱為 "阻抗"，它是導體的電阻、電容和電感的一個函數。因此，對于高速設計來說，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構中，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的，它在總線的末端吸收波的能量（如RS485）。

信號完整性

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

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“數據”——甚至可能是具有 8 條或更多數據線的并行總線——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的）。

不均勻的磁道長度會導致接收器處的信號不正確

考慮具有 1 條時鐘線 （C） 和 2 條數據線（A 和 B）的通信方案；如果數據線B的長度比數據線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“網絡調優”。

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。也許最常見且易于識別的實現是USB。另一種實現差分對的技術是RS485。差分對在兩個平行導體上使用“推挽”技術——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（這將導致外軌道的路徑比內軌道更長），那么內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，那么它將以相同的方式影響并行信號。如果信號異相，則信號一側的峰值可能會受到影響，而信號另一側的波谷會受到影響。

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”軌道免受產生和接收電磁干擾的技術。“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，在軌道周圍產生“屏蔽”的效果。

通過屏蔽差分對軌道

較高的電壓轉換速率，即信號從 "高 "到 "低 "或反之亦然的速度，比低電壓轉換速率產生更多電磁噪聲。電壓轉換速率本身通常在芯片數據手冊中指定（有時可配置，例如某些微控制器），因此不由PCB設計階段決定，但是在屏蔽方面可以更加關注具有已知高電壓轉換速率的信號。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

高速設計使很多數字工程師一開始就有點脫離了他們的舒適區。對于數字信號來說，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計的CAD工具，那么為什么不仔細看看Proteus PCB設計工具呢！

本文章版權歸英國LABCENTER公司所有，由廣州風標電子提供翻譯，原文鏈接如下：

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