談?wù)勲娐钒逯懈咚匐娐吩O(shè)計(jì)和低速電路設(shè)計(jì)的區(qū)別

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能和性能需求越來(lái)越多樣化，既有需要高速處理和傳輸?shù)膽?yīng)用，也有對(duì)速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的低速應(yīng)用。高速電路在現(xiàn)代通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。低速電路在許多傳統(tǒng)和基礎(chǔ)應(yīng)用中仍然占據(jù)重要地位，如家電控制、傳感器接口等。低速電路的PCB layout設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但同樣需要考慮穩(wěn)定性和可靠性。那么，如何區(qū)分高速電路和低速電路對(duì)工程師有指導(dǎo)意義。

1. 高速電路和低速電路的應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 低速電路應(yīng)用場(chǎng)景

低速電路適用于對(duì)速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的應(yīng)用場(chǎng)景。以下是一些典型的低速電路應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 家電控制：如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等家電的控制電路。

2. 傳感器接口：如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。

3. 工業(yè)控制：如PLC控制系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化設(shè)備等。

4. 汽車電子：如車燈控制、車門控制、座椅調(diào)節(jié)等。

5. 消費(fèi)電子：如遙控器、電子玩具、簡(jiǎn)單的顯示設(shè)備等。

低速電路在控制領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域應(yīng)用特別多，在短時(shí)間內(nèi)不需要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)處理，但是對(duì)穩(wěn)定性要求會(huì)比較高。比如安防領(lǐng)域的煙霧報(bào)警器，醫(yī)療器械領(lǐng)域的監(jiān)護(hù)儀。

1.2 高速電路的應(yīng)用場(chǎng)景

高速電路通常用于需要快速數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。以下是一些典型的高速電路應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 通信設(shè)備：如5G基站、光纖通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

2. 計(jì)算機(jī)和服務(wù)器：包括CPU、GPU、內(nèi)存、硬盤接口（如NVMe SSD）等。

3. 數(shù)據(jù)中心：用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的高性能計(jì)算設(shè)備。

4. 視頻處理：如高清視頻編碼解碼、圖像處理、視頻流傳輸?shù)取?/span>

5. 高速接口：如USB 3.0/3.1、PCIe、HDMI、DisplayPort等。

高速電路在通訊設(shè)備，音視頻處理等需要在短時(shí)間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)景中應(yīng)用特別多，比如手機(jī)、電腦、服務(wù)器、路由器。

1.3 高速電路設(shè)計(jì)比低速電路設(shè)計(jì)強(qiáng)嗎？

有些人覺(jué)得做高速電路產(chǎn)品的工程師都比低速電路產(chǎn)品的工程師要強(qiáng)，我個(gè)人認(rèn)為只有PCB Layout的時(shí)候高速電路要比低速電路需要注意更多的細(xì)節(jié)，但是從電路原理圖設(shè)計(jì)、程序編寫、器件選型等，真的不能說(shuō)高速就比低速?gòu)?qiáng)。我覺(jué)得高速和低速只是產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景不太一樣。

如果這個(gè)時(shí)候，還覺(jué)得高速比低速?gòu)?qiáng)。那舉一個(gè)的例子：

假設(shè)有一個(gè)病人在醫(yī)院住院需要打點(diǎn)滴，大概需要從晚上20點(diǎn)打到凌晨3點(diǎn)，輸A藥200ml，B藥100ml，C藥100ml等等，以前小時(shí)候就是得注意點(diǎn)滴打多少了，到了一定量，就喊家人或者醫(yī)生換點(diǎn)滴瓶。但是對(duì)醫(yī)院的護(hù)士來(lái)說(shuō)管很多病人，每天這樣換藥換點(diǎn)滴，要是當(dāng)時(shí)有其他急事，就可能存在有些病人點(diǎn)滴沒(méi)及時(shí)換。這時(shí)候有出現(xiàn)了自動(dòng)輸液機(jī)，把點(diǎn)滴放到機(jī)器上，設(shè)定好用量，設(shè)定好時(shí)間，就能按時(shí)按量給病人打多少。醫(yī)院里相信大家見(jiàn)到過(guò)這種輸液機(jī)。

這個(gè)輸液機(jī)只是執(zhí)行幾個(gè)控制功能吧，so easy，難度不大。但是你想一下能不能像你的電腦手機(jī)一樣，出現(xiàn)一丁點(diǎn)的卡機(jī)或者死機(jī)，或者任何的不穩(wěn)定，這樣你敢用嗎。

高速電路和低速電路設(shè)計(jì)都要考慮的：芯片選型、阻容感等器件選型、電源管理、EMC和防靜電，其余方面兩者的側(cè)重點(diǎn)不一樣，只是兩者側(cè)重點(diǎn)不一樣。由ARM公司發(fā)出的A系列，R系列，M系列的芯片架構(gòu)側(cè)重點(diǎn)不一樣。A系列更偏重于性能，比如蘋果電腦手機(jī)里就用A13，M系列更偏重于控制和實(shí)時(shí)性，比如STM32和GD32。

2. 高速電路和低速電路的如何區(qū)分

高速電路和低速電路的區(qū)別，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是分布式系統(tǒng)思維和集總式系統(tǒng)思維的區(qū)別，想必大家都學(xué)過(guò)電路分析、電磁場(chǎng)與電磁波這兩門課。電路分析的基爾霍夫定律KCL、KVL就是在集總式系統(tǒng)條件下的定理。電磁場(chǎng)中電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，能量有轉(zhuǎn)換，不能再簡(jiǎn)單的認(rèn)為信號(hào)能量不會(huì)衰減，輻射等等。

但是高速電路和低速電路真的只是根據(jù)頻率來(lái)區(qū)分嗎？

對(duì)于極高頻信號(hào)（1GHz以上），直接當(dāng)成高速信號(hào)處理。對(duì)于1GHz以下的，高速與低速的區(qū)分，取決于信號(hào)頻率和信號(hào)傳輸路徑的長(zhǎng)度，我想有必要進(jìn)行一個(gè)定性定量的探討：

首先要弄清楚一個(gè)誤區(qū)：信號(hào)周期頻率高的才屬于高速設(shè)計(jì)，事實(shí)上，設(shè)計(jì)中需要考慮的最高頻率往往取決于信號(hào)的有效頻率（或者稱為轉(zhuǎn)折頻率）Fknee。

2.1 Fknee有效頻率是什么？

Fknee的定義：在傅里葉變換中可以了解到，信號(hào)都是由頻率為f的正弦波及其奇數(shù)次諧波組成。理想幅值VN=2/（3.14*N），可知各級(jí)諧波分量的幅值與其頻率（次數(shù)N）成反比。而現(xiàn)實(shí)生活中，各級(jí)諧波分量幅值要比計(jì)算出的對(duì)應(yīng)分量理想幅值VN下降的更快，當(dāng)現(xiàn)實(shí)幅值下降到對(duì)應(yīng)分量理想幅值VN的70%，定義該諧波分量的幅值為信號(hào)的有效頻率Fknee。

工程實(shí)踐中，我們通常不會(huì)這么文鄒鄒。下面是Fknee簡(jiǎn)單的定義：關(guān)于有效頻率Fknee=0.5/Tr（10%~90%），Tr指信號(hào)從10%幅值到90%幅值的上升時(shí)間。

如何計(jì)算Fknee：在有測(cè)試板等現(xiàn)成電路時(shí)，可以直接測(cè)信號(hào)10%到90%的上升時(shí)間進(jìn)行判定；若沒(méi)有現(xiàn)成電路，則取7倍的信號(hào)周期頻率Fclock為信號(hào)的有效頻率Fknee即可。

2.2 區(qū)分高速和低速的步驟：

1.獲取信號(hào)的有效頻率Fknee以及信號(hào)傳輸路徑（信號(hào)線）的長(zhǎng)度L；

信號(hào)傳輸路徑長(zhǎng)度就是，該信號(hào)從哪里出發(fā)，到達(dá)終點(diǎn)走過(guò)了多遠(yuǎn)的路。

2.計(jì)算有效波長(zhǎng)λknee，利用C=F*λ；C為電傳輸?shù)乃俣?，略低于光速，但可以看成光速?/span>

3.將L與1/6*λknee做比較，若L＞1/6λknee，則為高速信號(hào)，否則為低速信號(hào)。

3. 高速電路與低速電路的PCB板設(shè)計(jì)

高速電路和低速電路的PCB板在設(shè)計(jì)和制造上有許多不同之處，但也有一些共同點(diǎn)。以下是對(duì)高速電路和低速電路PCB板的異同進(jìn)行詳細(xì)分析：

3.1 相同點(diǎn)

1. 基本材料

無(wú)論是高速電路還是低速電路，PCB板的基本材料通常都是FR-4（環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維布層壓板）。當(dāng)然，高速電路在某些情況下可能會(huì)使用更高性能的材料，如陶瓷基板或高頻材料（如Rogers材料）。

2. 制造工藝

兩者在制造工藝上有許多相似之處，如蝕刻、鉆孔、電鍍、絲印等基本工藝步驟。

3. 設(shè)計(jì)軟件

高速電路和低速電路的PCB設(shè)計(jì)軟件有Altium Designer、Cadence Allegro、Mentor Graphics PADS、JLC-EDA等。

這是一張高速電路PCB Layout設(shè)計(jì)的圖片，可以看出，里面的布線是很緊密的。

3.2 不同點(diǎn)

1. 層數(shù)

高速電路：通常需要多層PCB（4層、6層、甚至更多），以確保信號(hào)完整性和電源穩(wěn)定性。

低速電路：一般使用單層或雙層或者四層PCB，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2. 信號(hào)完整性

高速電路：需要特別關(guān)注信號(hào)完整性問(wèn)題，如反射、串?dāng)_、時(shí)序誤差等。設(shè)計(jì)中會(huì)使用差分對(duì)、阻抗控制、地平面等技術(shù)。

低速電路：信號(hào)完整性問(wèn)題較少，設(shè)計(jì)中不需要特別關(guān)注這些問(wèn)題。

3. 電源管理

高速電路：對(duì)電源的要求較高，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)和良好的電源去耦。通常會(huì)使用多個(gè)電源層和去耦電容。

低速電路：對(duì)電源的要求相對(duì)較低，設(shè)計(jì)中電源層和去耦電容的使用較少。

4. 電磁干擾（EMI）

高速電路：更容易產(chǎn)生電磁干擾，需要采取屏蔽、濾波等措施來(lái)抑制干擾。設(shè)計(jì)中會(huì)使用屏蔽層、濾波器等。

5. 布線規(guī)則

高速電路：布線規(guī)則較為嚴(yán)格，需要考慮阻抗匹配、差分對(duì)布線、過(guò)孔數(shù)量和位置等。

低速電路：布線規(guī)則相對(duì)寬松，不需要特別考慮阻抗匹配和差分對(duì)布線。

6. 熱管理

高速電路：通常功耗較高，需要良好的熱管理。設(shè)計(jì)中會(huì)使用熱導(dǎo)通孔、散熱片等。

低速電路：功耗較低，熱管理問(wèn)題較少。

7. 測(cè)試和驗(yàn)證

高速電路：需要進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)試和驗(yàn)證，如信號(hào)完整性分析、時(shí)序分析、EMI測(cè)試等。

低速電路：測(cè)試和驗(yàn)證相對(duì)簡(jiǎn)單，主要關(guān)注功能測(cè)試和基本的電氣性能測(cè)試。

3.3 板層與制造工藝

對(duì)于針對(duì)低速電路的PCB設(shè)計(jì)，那么我們選用單層，雙層，復(fù)雜點(diǎn)的選4層PCB也差不多足夠了，這樣在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，也可以做到節(jié)省成本。

但是對(duì)于高速電路設(shè)計(jì)，存在許多高速信號(hào)線、有BGA封裝的引腳需要把線扇出，這個(gè)時(shí)候可能需要用到6層、8層、10多層的設(shè)計(jì)。這個(gè)時(shí)候可能需要考慮性能與成本綜合因素。很多高速電路板在布線難的情況下使用了很多盲埋孔、盤中孔等特殊的工藝，甚至有的在PCB上鍍金鍍銀來(lái)達(dá)到性能要求，這樣對(duì)于PCB的成本會(huì)比較高。

在這里，我有一些提高PCB電路板性能上的工藝推薦：據(jù)我了解，國(guó)內(nèi)的板廠里面，許多家都改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，以嘉立創(chuàng)來(lái)說(shuō)，在6層及以上的電路板上盤中孔工藝可以免費(fèi)使用，在緊密布局布線方便很多，然后在PCB表面處理工藝上，它們家使用沉金工藝，免費(fèi)加厚，1U’’的價(jià)格2U’’的品質(zhì)，焊盤表面平整，在焊接性能上對(duì)于BGA這種焊盤，能有效防止虛焊漏焊。

4. 總結(jié)

本文從高速電路和低速電路的應(yīng)用場(chǎng)景、到如何區(qū)分高低速電路、最后再講到高速電路和低速電路在PCB板的設(shè)計(jì)上有何區(qū)別。關(guān)于高速電路設(shè)計(jì)和低速電路設(shè)計(jì)還有需要注意的，大家可以評(píng)論區(qū)提出來(lái)進(jìn)行討論。