從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來(lái)看，芯片體積越來(lái)越小、引腳數(shù)越來(lái)越多;同時(shí)，由于近年來(lái)IC工藝的發(fā)展，使得其速度也越來(lái)越高。這就帶來(lái)了一個(gè)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(shí)信號(hào)的頻率還在提高，從而使得如何處理高速信號(hào)問題成為一個(gè)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(shí)鐘頻率的迅速提高，信號(hào)邊沿不斷變陡，印刷電路板的線跡互連和板層特性對(duì)系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對(duì)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(shí)，互連關(guān)系必須考慮，而在*定系統(tǒng)性能時(shí)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(duì)互連延遲引起的時(shí)序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號(hào)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(duì)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(shí)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(gè)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(hào)完整性問題，本來(lái)在低速電路中無(wú)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(lái)越復(fù)雜，電磁兼容性也變成了一個(gè)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(hào)的概念。高速不是就頻率的高低來(lái)說(shuō)的，而是由信號(hào)的邊沿速度決定的，一般認(rèn)為上升時(shí)間小于4倍信號(hào)傳輸延遲時(shí)可視為高速信號(hào)。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中，也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)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(hào)邊沿比以前更陡更快，因此在工作時(shí)鐘不高的情況下也屬于高速器件，隨之帶來(lái)了信號(hào)完整性的種種問題。

相信對(duì)做硬件的工程師，畢業(yè)開始進(jìn)公司時(shí)，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，老工程師都會(huì)對(duì)他說(shuō)，PCB走線不要走直角，走線一定要短，電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做，就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦，當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題，今后又犯了，可能又會(huì)被他們罵，“都說(shuō)了多少遍了電容一定要就近擺放，放遠(yuǎn)了起不到效果等等”，往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙，我們一開始不會(huì)也不用難過，多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料，為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢，等看了資料后就能了解一些，可是網(wǎng)上的資料很雜散，很少能找到一個(gè)很全方面講解的。下面這些內(nèi)容是我轉(zhuǎn)載的一篇關(guān)于電容去耦半徑的講解，相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。老師問： 為什么去耦電容就近擺放呢?學(xué)生答： 因?yàn)樗杏行О霃脚?，放的遠(yuǎn)了失效的。電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來(lái)談這個(gè)擺放距離問題。確實(shí)，減小電感是一個(gè)重要原因，但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn)，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng)，電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓)，就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間，因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣，電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。

1、PCB分板機(jī)對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)問題的原因：蓄電池沒有充足電力，蓄電池和啟動(dòng)電機(jī)之間的連接斷開。蓄電池或接線卡子出現(xiàn)的氧化的現(xiàn)象;電磁開關(guān)與兩大接線柱接觸不良或是導(dǎo)流片被嚴(yán)重?zé)g;電刷出現(xiàn)磨損、折斷或是電刷卡在刷架中;電刷整流器間存在油污或是整流片的嚴(yán)重?zé)g。2、繞組部分短路或斷路：有三個(gè)原因會(huì)出現(xiàn)這種情況，一是電樞繞組或是換向器片出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象，二是軸承或銅套出現(xiàn)磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)子掃膛，三是在安裝的時(shí)候4個(gè)電刷的位置裝錯(cuò)了或是新?lián)Q的軸套間隙過大。PCB分板機(jī)啟動(dòng)時(shí)空轉(zhuǎn)：撥叉安裝不正確，撥叉滑柱裝置在挪動(dòng)襯套內(nèi)讓電動(dòng)機(jī)齒輪不可能與撥叉一同轉(zhuǎn)動(dòng)。3.PCB分板機(jī)啟動(dòng)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁開關(guān)鐵芯和接盤推桿間間的間隙太大會(huì)造成單向離合器打滑，無(wú)法帶動(dòng)飛輪齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。啟動(dòng)電機(jī)齒輪一旦嚴(yán)重磨損，就會(huì)無(wú)法與飛輪齒圈很好地磨合。電磁開關(guān)常吸常開，是指在按下啟動(dòng)開關(guān)后，電磁開關(guān)的鐵芯剛被吸上去就會(huì)馬上脫下來(lái)，脫下來(lái)后又會(huì)被吸上去，然后又馬上脫下來(lái)，達(dá)不到啟動(dòng)發(fā)起機(jī)的效果1。呈現(xiàn)這種毛病現(xiàn)象的常見緣由是堅(jiān)持線圈斷路。

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(shí)候需要對(duì)信號(hào)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(wú)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(wú)法和其他電路對(duì)接。3.元件在二維、三維空間上有無(wú)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(shí)候，不僅要考慮信號(hào)的走向和信號(hào)的類型、需要注意或者保護(hù)的地方，同時(shí)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(hào)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。

臺(tái)灣專業(yè)SMT插件在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國(guó)工程師。本文通過簡(jiǎn)單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測(cè)量方法。在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。SMT插件加工廠首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開始沿著這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時(shí)間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過程。

在基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的PCB設(shè)計(jì)方法中，最為核心的部分就是PCB板級(jí)信號(hào)完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計(jì)的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計(jì)方法的可行性。目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測(cè)量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級(jí)模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是建模和使用簡(jiǎn)單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級(jí)模型是一個(gè)選擇。缺點(diǎn)是精度較差，一致性不能保證，受測(cè)試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE 模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級(jí)別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。一般驅(qū)動(dòng)器和接收器的模型由器件廠商提供，傳輸線的模型通常從場(chǎng)分析器中提取，封裝和連接器的模型即可以由場(chǎng)分析器提取，又可以由制造廠商提供。在電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型，其中最為常用的有三種，分別是SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。