隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的速度和性能要求越來越高。在這種情況下，高速 PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)應(yīng)運而生。高速 PCB 是一種專門設(shè)計用于高速信號傳輸?shù)碾娐钒?，它在現(xiàn)代電子設(shè)備中扮演著至關(guān)重要的角色。本文將詳細介紹高速 PCB 的概念、特點、設(shè)計要求以及應(yīng)用領(lǐng)域。
電信號也有速度限制-光速，光速非常快。考慮到1GHz 信號的周期為 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 長的導(dǎo)體上，當(dāng)下一個時鐘脈沖在其開始處生成時，1GHz 信號的第一個時鐘脈沖剛剛到達導(dǎo)體的另一端。
假設(shè)為 3GHz，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖到達導(dǎo)體的另一端時，時鐘信號源已經(jīng)生成第三個脈沖，如果是 3GHz，30cm 導(dǎo)體，意味著單個 30cm 導(dǎo)體在其長度內(nèi)包含3 個脈沖、3 個高狀態(tài)和低狀態(tài)。
數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號的傳播是從一個邏輯門向另一個邏輯門，信號通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動的，許多數(shù)字工程師因此認為回路通路是不相關(guān)的，畢竟，驅(qū)動器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢!實際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動，電路中任意的信號都以一個閉合回路的形式存在。對于高頻信號傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。
02
數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號回流選擇感抗最低的路徑。
當(dāng)電流從信號的驅(qū)動器出發(fā)，流經(jīng)信號線，注入信號的接收端，總有一個與之方向相反的返回電流：從負載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過敷銅平面，流向信號源，與流經(jīng)信號線上的電流構(gòu)成閉合回路。這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當(dāng)，信號頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對絕對的輸入信號響應(yīng)，而是對輸入信號和參考引腳間的差異進行響應(yīng)。單點終結(jié)的電路對引入信號和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動和信號路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對輸入引腳和指定的參考引腳進行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個是所指定的參考引腳(對于TTL，通常是負電源，對于ECL通常是正電源，但是并不是全都如此)，就這個性質(zhì)而言，差分信號的抗干擾能力就能對地彈噪聲和電源平面滑動具有良好的效果。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號同步進行切換時(如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，這就引起瞬態(tài)負載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。而當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時，它們的輻射能量也就越大，因此，我們對數(shù)字芯片的切換狀態(tài)進行分析，采取措施控制回流方式，達到減小環(huán)繞區(qū)域，輻射程度最小的目的。下圖比較經(jīng)典說明回路的情況：對于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號兩端適當(dāng)增加幾個小電容到地，提供一個回流通路。但這種做法往往難以實現(xiàn)。因為終端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了。回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此需要注意返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。03
下圖中是印制板中的一條線路，在導(dǎo)線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導(dǎo)線，從驅(qū)動端到接收端，實際上，電流總是在環(huán)路上才能流動，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，回路途徑變得難于估計，要對他們進行控制有一定的難度。
如圖3.1所示， PCB板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理，當(dāng)突變的電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時，將在空間產(chǎn)生電磁場，并對其他導(dǎo)線造成影響，這就是我們通常所說的輻射，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強度有關(guān)的參數(shù)。圖3.1 印制板上的差模輻射這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬它，設(shè)電流為I,面積為S的小環(huán)，在自由空間為r的遠場測得的電場強度為：E――電場(V/m)
f――頻率(Hz )
S――面積( m^2)
I――電流(A)
r――距離(m)
式3.1適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，實際上我們的產(chǎn)品是在地面進行而非自由空間，附近地面的反射會使測得的輻射增加6dB，考慮到這一點，式3.1必須乘2，如果對地面反射加以修正并假設(shè)為最大輻射方向，則式3.1為由式3.2知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。
印刷電路板中返回電流的路徑是與電流的頻率密切相關(guān)的。根據(jù)電路基本知識，直流或低頻電流總是流向阻抗最小的方向;而高頻的電流在電阻一定的情況下，總是流向感抗最小的方向。如果不考慮過孔在敷銅平面上形成的孔、溝的影響，阻抗最小的路徑，也就是低頻電流的路徑，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖3.2。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān)。圖3.2 PCB敷銅平面上高頻電流路徑對傳輸線來說，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號布線的正下方的敷銅平面上，如圖3.3。這樣的返回路徑使得整個回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場強度(或接收空間輻射的能力)最小。
對于比較長、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號返回電流流經(jīng)范圍是以信號布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號布線中心軸距離越遠，電流密度越小，如圖3.3。這一關(guān)系近似滿足式3.3 [4]：式3.3其中， I(D)為原始信號電流，單位為“A，安培”;D為信號布線與敷銅平面的距離，單位為“in.，英寸”;H為敷銅平面上的點到信號線的垂直距離，單位為“in.，英寸”;D/H是這一點上的電流密度，單位為“A/in.，安培每英寸”。圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖根據(jù)式3.3，表3.1列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。假設(shè)英寸，則經(jīng)過距離傳輸線0.035英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的13%，具體分到傳輸線的一側(cè)只有6.5%，而且密度很小。因此可以忽略不計。小結(jié)：1.當(dāng)信號布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時，信號返回電流對敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線局部化的原則，即人為地拉開數(shù)字信號線、數(shù)字器件與模擬信號線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數(shù)字信號返回電流對模擬電路的干擾。2.高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號走線緊鄰的平面(地平面或電源平面)回流到驅(qū)動端。驅(qū)動器信號走線的終端負載，跨接在信號走線和與信號走線緊鄰的平面(地平面或電源平面)之間。3.當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域最小，從而控制輻射程度。
高速pcb與一般pcb之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在信號處理的復(fù)雜性、設(shè)計要求、材料特性以及應(yīng)用場景等多個方面。
從信號處理的角度來看，高速PCB主要用于處理高頻、高速的信號，其工作頻率遠高于一般PCB。因此，高速PCB在設(shè)計和制造過程中，需要特別關(guān)注信號的完整性和時鐘同步，以確保信號在高速傳輸過程中的準確性和穩(wěn)定性。這涉及到一系列復(fù)雜的設(shè)計和制造技術(shù)，如查分信號布線、阻抗控制和屏蔽技術(shù)等。
設(shè)計要求方面，高速PCB對布線規(guī)則和層次規(guī)劃的要求更為嚴格。由于高速信號的傳輸需要更小的線寬和間距，以減少信號的傳播延遲和交叉干擾，高速PCB的布線規(guī)則相較于一般PCB更為復(fù)雜。此外，高速PCB還需要考慮信號層和電源層的規(guī)劃，以減少信號串?dāng)_和地面回流路徑。
在材料特性方面，高速PCB通常采用低介電常數(shù)和低損耗材料，這些材料能夠有效減少信號傳輸過程中的能量損耗，保證信號在高速傳輸過程中的穩(wěn)定性和完整性。而一般PCB對材料的要求則相對較低。
從應(yīng)用場景來看，高速PCB廣泛應(yīng)用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的領(lǐng)域，如通信設(shè)備、服務(wù)器、高速計算等。而一般PCB則更多應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品中，如電視、手機、電腦等。
高速PCB設(shè)計是現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。隨著科技的不斷發(fā)展，大量的高速電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如通信、計算機、工業(yè)控制等。在這些設(shè)備中，高速PCB的設(shè)計至關(guān)重要，它直接影響到設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。在進行高速PCB設(shè)計時，需要考慮以下六個方面。
首先，電磁兼容性是高速PCB設(shè)計中的一個重要考慮因素。高速信號在傳輸過程中會產(chǎn)生較大的電磁輻射和敏感度，可能對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在高速PCB設(shè)計中，需要采取一系列的措施來減小電磁干擾。例如，合理布局和屏蔽敏感的元器件，使用合適的地線和電源線等。
其次，信號完整性也是高速PCB設(shè)計中需要考慮的一個重要因素。在高速信號傳輸過程中，可能會受到多種因素的影響，如傳輸線的阻抗匹配、信號的串?dāng)_等。因此，需要采取相應(yīng)的措施來確保信號的完整性，如使用合適的傳輸線、加入阻抗匹配器等。
第三，地線設(shè)計是高速PCB設(shè)計中不可忽視的一個方面。地線在高速信號傳輸中起到了至關(guān)重要的作用，能夠提供良好的信號參考和回流路徑。因此，在高速PCB設(shè)計中，需要合理設(shè)計地線的位置和布局，以減少信號的串?dāng)_和電磁輻射。
第四，電源設(shè)計也是高速PCB設(shè)計中需要考慮的一個重要因素。電源的穩(wěn)定性直接影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在高速PCB設(shè)計中，需要合理布局和連接電源，以確保充足的電流供應(yīng)和低噪聲電源。
第五，散熱設(shè)計是高速PCB設(shè)計中需要考慮的另一個重要因素。高速電子設(shè)備通常工作時會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能有效散熱，可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至損壞。因此，在高速PCB設(shè)計中，需要合理設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)和散熱通道，以保證設(shè)備的正常工作。
最后，可靠性和可維護性是高速PCB設(shè)計中需要考慮的最重要的因素之一。高速電子設(shè)備通常需要工作在苛刻的環(huán)境條件下，如高溫、濕度、震動等。因此，在高速PCB設(shè)計中，需要采用可靠的材料和組件，并保證可維護性，以提高設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性。
高速PCB設(shè)計考慮的六個方面包括電磁兼容性、信號完整性、地線設(shè)計、電源設(shè)計、散熱設(shè)計、可靠性和可維護性。在進行高速PCB設(shè)計時，需要綜合考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。通過合理的高速PCB設(shè)計，可以提高設(shè)備的性能和可靠性，并滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對高速傳輸?shù)囊蟆?
高速PCB的特點主要包括：
高速PCB在信號處理、設(shè)計要求、材料特性以及應(yīng)用場景等方面都展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢。隨著科技的不斷發(fā)展，高速PCB將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，推動電子設(shè)備的性能不斷提升。
下載文檔
