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半导体技术的高速发展,使得IC芯片的运行速度越来越快,集成度越来越高,单个芯片的功能越来越强、越来越综合,以往在一块PCB上实现的功能块,现在可能用一块IC就可以完成。在整机电子系统设计领域,伴随着半导体技术的高度发展,今天的电子整机系统设计已与昨天不可同日而语,高集成、多功能、小型化、轻重量等众多特点日益突出,这让我们感受到了SOC(片上系统)、SOP(封装上系统)、SOB(板上系统)等诸多新技术应用成果以及它们带给我们的好处。可以说现代电子整机系统设计已经进入到“搭积木”式的设计时代,其特点是更注重系统设计的创新和这些这高速模块的连接实现上来。这就推动了电子整机系统设计中的PCB设计进入高速电路设计领域。
一般意义上讲,高速PCB主要关注以下几个方面的内容:
1:对于单根PCB走线(布线),尤其是那些高速的时钟线、数据地址线、控制信号线等,必须在设计中准确地知道(控制)走线的阻抗,没有精确的阻抗控制,就无法实现阻抗匹配布线(无法知道走线在不同布线层上的阻抗参数,因而无法实现阻抗匹配措施)。其次,对于单根PCB走线,我们还要控制其走线的延时大小,以满足越来越苛刻的设计时序要求。第三是无论单根PCB走线,还是多根PCB走线,我们还必须规划和设计其走线的拓扑结构,这在高速PCB设计当中已经越发重要了。第四是对走线上的信号的波形失真、振铃等也要严格控制。
2:对于多根PCB走线(布线),必须控制走线线束间的串扰,由于越来越多的IC采用低电平工作模式(5V=>3V),这就使得对走线串扰的控制变得非常重要。当然分析多根PCB走线的前提也是要先分析和控制单根PCB的走线。在多根PCB走线的情形当中,一个特殊的应用就是差分线的布线控制。差分器件和差分布线越来越多地应用在高速电子系统设计当中,布线和控制好差分线也是设计成功的关键(包括差分阻抗的控制、失真控制、时序控制、匹配控制等)。
3:对于整个PCB板来说,布局很重要。没有好的合理的器件布局是根本不可能设计出成功的PCB。这涉及到了PCB板级的一些EMC问题。其次是如何设置合理的电源/地线层以及如何合理地配置去耦电容和旁路电容,以及如何放置(布局)这些电容在PCB中。
4:电路的正常工作并不代表整个PCB或整个电子系统就可以通过EMC标准的检测。所以我们在设计电子系统时,即要确保逻辑正确,功能正确,单个PCB和整个系统正常工作,同时在设计的具体环节(如单个PCB设计阶段)就要考虑和关注整个系统的EMC问题。只有设计的各个环节,尤其是在设计的基础环节阶段把EMC问题考虑在内,在整个系统调试中才可以很好地达到EMC测试标准。
当然,设计高速PCB所要关注的绝不仅仅是上面提及的几个方面,但这里我们所提及的这几个方面是最基本也是最重要的,其它的问题都可以由此展开。