從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來看，芯片體積越來越小、引腳數(shù)越來越多;同時，由于近年來IC工藝的發(fā)展，使得其速度也越來越高。這就帶來了一個問題，即電子設(shè)計(jì)的體積減小導(dǎo)致電路的布局布線密度變大，而同時信號的頻率還在提高，從而使得如何處理高速信號問題成為一個設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復(fù)雜度和時鐘頻率的迅速提高，信號邊沿不斷變陡，印刷電路板的線跡互連和板層特性對系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對于低頻設(shè)計(jì)，線跡互連和板層的影響可以不考慮，但當(dāng)頻率超過50 MHz時，互連關(guān)系必須考慮，而在*定系統(tǒng)性能時還必須考慮印刷電路板板材的電參數(shù)。因此，高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須面對互連延遲引起的時序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號完整性(Signal Integrity，SI)問題。當(dāng)硬件工作頻率增高后，每一根布線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線，對其他電子設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射或與其他設(shè)備相互干擾，從而使硬件時序邏輯產(chǎn)生混亂。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)的標(biāo)準(zhǔn)提出了解決硬件實(shí)際布線網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾以及本身抵抗外部電磁干擾的基本要求。1 高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的幾個基本概念在高速數(shù)字電路中，由于串?dāng)_、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號完整性問題，本來在低速電路中無需考慮的因素在這里就顯得格外重要;另外，隨著現(xiàn)有電氣系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電磁兼容性也變成了一個不能不考慮的問題。要解決高速電路設(shè)計(jì)的問題，首先需要真正明白高速信號的概念。高速不是就頻率的高低來說的，而是由信號的邊沿速度決定的，一般認(rèn)為上升時間小于4倍信號傳輸延遲時可視為高速信號。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中，也會出現(xiàn)信號完整性的問題。這是由于隨著集成電路工藝的提高，所用器件I/O端口的信號邊沿比以前更陡更快，因此在工作時鐘不高的情況下也屬于高速器件，隨之帶來了信號完整性的種種問題。

1.系統(tǒng)布局是否保證布線的合理或者最優(yōu)，是否能保證布線的可靠進(jìn)行，是否能保證電路工作的可靠性。在布局的時候需要對信號的走向以及電源和地線網(wǎng)絡(luò)有整體的了解和規(guī)劃。2.印制板尺寸是否與加工圖紙尺寸相符，能否符合PCB制造工藝要求、有無行為標(biāo)記。這一點(diǎn)需要特別注意，不少PCB板的電路布局和布線都設(shè)計(jì)得很漂亮、合理，但是疏忽了定位接插件的精確定位，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的電路無法和其他電路對接。3.元件在二維、三維空間上有無沖突。注意器件的實(shí)際尺寸，特別是器件的高度。在焊接免布局的元器件，高度一般不能超過3mm。4.元件布局是否疏密有序、排列整齊，是否全部布完。在元器件布局的時候，不僅要考慮信號的走向和信號的類型、需要注意或者保護(hù)的地方，同時也要考慮器件布局的整體密度，做到疏密均勻。5.需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換，插件板插入設(shè)備是否方便。應(yīng)保證經(jīng)常更換的元器件的更換和接插的方便和可靠。6.調(diào)整可調(diào)元件是否方便。7.熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當(dāng)?shù)木嚯x。8.在需要散熱的地方是否裝有散熱器或者風(fēng)扇，空氣流是否通暢。應(yīng)注意元器件和電路板的散熱。9.信號走向是否順暢且互連最短。10.插頭、插座等與機(jī)械設(shè)計(jì)是否矛盾。11.線路的干擾問題是否有所考慮。12.電路板的機(jī)械強(qiáng)度和性能是否有所考慮。13.電路板布局的藝術(shù)性及其美觀性。

覆銅，就是將PCB上閑置的空間作為基準(zhǔn)面，然后用固體銅填充，這些銅區(qū)又稱為灌銅。敷銅的意義在于，減小地線阻抗，提高抗干擾能力;降低壓降，提高電源效率;還有，與地線相連，減小環(huán)路面積。如果PCB的地較多，有SGND、AGND、GND，等等，如何覆銅?我的做法是，根據(jù)PCB板面位置的不同，分別以最主要的“地”作為基準(zhǔn)參考來獨(dú)立覆銅，數(shù)字地和模擬地分開來敷銅自不多言。同時在覆銅之前，首先加粗相應(yīng)的電源連線：V5.0V、V3.6V、V3.3V(SD卡供電)，等等。這樣一來，就形成了多個不同形狀的多變形結(jié)構(gòu)。覆銅需要處理好幾個問題：一是不同地的單點(diǎn)連接，二是晶振附近的覆銅，電路中的晶振為一高頻發(fā)射源，做法是在環(huán)繞晶振敷銅，然后將晶振的外殼另行接地。三是孤島(死區(qū))問題，如果覺得很大，那就定義個地過孔添加進(jìn)去也費(fèi)不了多大的事。另外，大面積覆銅好還是網(wǎng)格覆銅好，不好一概而論。為什么呢?大面積覆銅，如果過波峰焊時，板子就可能會翹起來，甚至?xí)鹋?。從這點(diǎn)來說，網(wǎng)格的散熱性要好些。通常是高頻電路對抗干擾要求高的多用網(wǎng)格，低頻電路有大電流的電路等常用完整的鋪銅。補(bǔ)充下：在數(shù)字電路中，特別是帶MCU的電路中，兆級以上工作頻率的電路，敷銅的作用就是為了降低整個地平面的阻抗。更具體的處理方法我一般是這樣來操作的：各個核心模塊(也都是數(shù)字電路)在允許的情況下也會分區(qū)敷銅，然后再用線把各個敷銅連接起來，這樣做的目的也是為了減小各級電路之間的影響。對于數(shù)字電路模擬電路 混合的電路，地線的獨(dú)立走線，以及到最后到電源濾波電容處的匯總就不多說了，大家都清楚。不過有一點(diǎn)：模擬電路里的地線分布，很多時候不能簡單敷成一片銅皮就了事，因?yàn)槟M電路里很注重前后級的互相影響，而且模擬地也要求單點(diǎn)接地，所以能不能把模擬地敷成銅皮還得根據(jù)實(shí)際情況處理。(這就要求對所用到的模擬IC的一些特殊性能還是要了解的)

隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時候，電源的波動往往會給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時流入地線。此時由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時，此時電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;

PCB布局規(guī)則1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊;元件排列要緊湊，元件在整個版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。PCB設(shè)計(jì)設(shè)置技巧PCB設(shè)計(jì)在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局;對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對齊和布局的美觀。PCB設(shè)計(jì)布局技巧在PCB的布局設(shè)計(jì)中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。2、以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產(chǎn)。

開發(fā)PCB打樣如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，PCB打樣阻抗變化必須小于10%。這有時很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時間和驅(qū)動端到反射點(diǎn)處信號的時延有關(guān)。但至少這是一個潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個端點(diǎn)處都會發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號為1V，第Y次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號，有多大影響，和阻抗變化處的時延以及信號上升時間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時延小于信號上升時間的20%，反射信號就不會造成問題。如果信號上升時間為1ns，那么阻抗變化處的時延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。