PCB設(shè)計(jì)技巧常見問題分析
發(fā)布時(shí)間：2020-10-29
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1、如何選擇PCB板材？
選擇PCB板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時(shí)這材質(zhì)問題會(huì)比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個(gè)GHz的頻率時(shí)的介質(zhì)損(dielectric loss)會(huì)對(duì)信號(hào)衰減有很大的影響，可能就不合用。就電氣而言，要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介 質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。
2、如何避免高頻干擾？
避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾，也就是所謂的串?dāng)_ (Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘?hào)和模擬信號(hào)之間的距離，或加ground guard/shunt traces 在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。
3、在高速設(shè)計(jì)中，如何解決信號(hào)的完整性問題？
信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問題。而影響阻抗匹配的因素有信號(hào)源的架構(gòu)和輸出阻抗 (output impedance)，走線的特性阻抗，負(fù)載端的特性，走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。
4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的？
差分對(duì)的布線有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線的長(zhǎng)度要盡量一樣長(zhǎng)，另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一為兩條線走在同一走線層(side-by-side)，一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者 side-by-side實(shí)現(xiàn)的方式較多。
5、對(duì)于只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)線，如何實(shí)現(xiàn)差分布線？
要用差分布線一定是信號(hào)源和接收端也都是差分信號(hào)才有意義。所以對(duì)只有一個(gè)輸出端的時(shí) 鐘信號(hào)是無法使用差分布線的。?
6、接收端差分線對(duì)之間可否加一匹配電阻？
接收端差分線對(duì)間的匹配電阻通常會(huì)加, 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號(hào)品質(zhì)會(huì)好些。
7、為何差分對(duì)的布線要靠近且平行？
對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分 ?阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性 (signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
8、如何處理實(shí)際布線中的一些理論沖突的問題
1. 基本上, 將模/數(shù)地分割隔離是對(duì)的。 要注意的是信號(hào)走線盡量不要跨過有分割的地方(moat), 還有不要讓電源和信號(hào)的回流電流路徑(returning current path)變太大。
2. 晶振是模擬的正反饋振蕩電路, 要有穩(wěn)定的振蕩信號(hào), 必須滿足loop gain與phase的規(guī) 范, 而這模擬信號(hào)的振蕩規(guī)范很容易受到干擾, 即使加ground guard traces可能也無法完全隔離干擾。 而且離的太遠(yuǎn), 地平面上的噪聲也會(huì)影響正反饋振蕩電路。 所以, 一定要將 晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。
3. 確實(shí)高速布線與EMI的要求有很多沖突。 但基本原則是因EMI所加的電阻電容或ferrite bead, 不能造成信號(hào)的一些電氣特性不符合規(guī)范。 所以, 最好先用安排走線和PCB疊層的技 巧來解決或減少EMI的問題, 如高速信號(hào)走內(nèi)層。最后才用電阻電容或ferrite bead的方式, 以降低對(duì)信號(hào)的傷害。
9、如何解決高速信號(hào)的手工布線和自動(dòng)布線之間的矛盾？
現(xiàn)在較強(qiáng)的布線軟件的自動(dòng)布線器大部分都有設(shè)定約束條件來控制繞線方式及過孔數(shù)目。 各家EDA公司的繞線引擎能力和約束條件的設(shè)定項(xiàng)目有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。 例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對(duì)的走線間距等。 這會(huì)影響到自動(dòng)布線出來的走線方式是否能符合設(shè)計(jì)者的想法。 另外, 手動(dòng)調(diào)整布線的難易也與繞線 引擎的能力有絕對(duì)的關(guān)系。 例如, 走線的推擠能力, 過孔的推擠能力, 甚至走線對(duì)敷銅的推擠能力等等。 所以, 選擇一個(gè)繞線引擎能力強(qiáng)的布線器, 才是解決之道。
10、關(guān)于test coupon。
test coupon是用來以TDR (Time Domain Reflectometer) 測(cè)量所生產(chǎn)的PCB板的特性阻抗是 否滿足設(shè)計(jì)需求。 一般要控制的阻抗有單根線和差分對(duì)兩種情況。 所以， test coupon上的走線線寬和線距(有差分對(duì)時(shí))要與所要控制的線一樣。 最重要的是測(cè)量時(shí)接地點(diǎn)的位 置。 為了減少接地引線( ground lead)的電感值， TDR探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號(hào)的地方(probe tip)， 所以， test coupon上量測(cè)信號(hào)的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式 要符合所用的探棒。
選擇PCB板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時(shí)這材質(zhì)問題會(huì)比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個(gè)GHz的頻率時(shí)的介質(zhì)損(dielectric loss)會(huì)對(duì)信號(hào)衰減有很大的影響，可能就不合用。就電氣而言，要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介 質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。
2、如何避免高頻干擾？
避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾，也就是所謂的串?dāng)_ (Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘?hào)和模擬信號(hào)之間的距離，或加ground guard/shunt traces 在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。
3、在高速設(shè)計(jì)中，如何解決信號(hào)的完整性問題？
信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問題。而影響阻抗匹配的因素有信號(hào)源的架構(gòu)和輸出阻抗 (output impedance)，走線的特性阻抗，負(fù)載端的特性，走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。
4、差分布線方式是如何實(shí)現(xiàn)的？
差分對(duì)的布線有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線的長(zhǎng)度要盡量一樣長(zhǎng)，另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一為兩條線走在同一走線層(side-by-side)，一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者 side-by-side實(shí)現(xiàn)的方式較多。
5、對(duì)于只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號(hào)線，如何實(shí)現(xiàn)差分布線？
要用差分布線一定是信號(hào)源和接收端也都是差分信號(hào)才有意義。所以對(duì)只有一個(gè)輸出端的時(shí) 鐘信號(hào)是無法使用差分布線的。?
6、接收端差分線對(duì)之間可否加一匹配電阻？
接收端差分線對(duì)間的匹配電阻通常會(huì)加, 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號(hào)品質(zhì)會(huì)好些。
7、為何差分對(duì)的布線要靠近且平行？
對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分 ?阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性 (signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
8、如何處理實(shí)際布線中的一些理論沖突的問題
1. 基本上, 將模/數(shù)地分割隔離是對(duì)的。 要注意的是信號(hào)走線盡量不要跨過有分割的地方(moat), 還有不要讓電源和信號(hào)的回流電流路徑(returning current path)變太大。
2. 晶振是模擬的正反饋振蕩電路, 要有穩(wěn)定的振蕩信號(hào), 必須滿足loop gain與phase的規(guī) 范, 而這模擬信號(hào)的振蕩規(guī)范很容易受到干擾, 即使加ground guard traces可能也無法完全隔離干擾。 而且離的太遠(yuǎn), 地平面上的噪聲也會(huì)影響正反饋振蕩電路。 所以, 一定要將 晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。
3. 確實(shí)高速布線與EMI的要求有很多沖突。 但基本原則是因EMI所加的電阻電容或ferrite bead, 不能造成信號(hào)的一些電氣特性不符合規(guī)范。 所以, 最好先用安排走線和PCB疊層的技 巧來解決或減少EMI的問題, 如高速信號(hào)走內(nèi)層。最后才用電阻電容或ferrite bead的方式, 以降低對(duì)信號(hào)的傷害。
9、如何解決高速信號(hào)的手工布線和自動(dòng)布線之間的矛盾？
現(xiàn)在較強(qiáng)的布線軟件的自動(dòng)布線器大部分都有設(shè)定約束條件來控制繞線方式及過孔數(shù)目。 各家EDA公司的繞線引擎能力和約束條件的設(shè)定項(xiàng)目有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。 例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對(duì)的走線間距等。 這會(huì)影響到自動(dòng)布線出來的走線方式是否能符合設(shè)計(jì)者的想法。 另外, 手動(dòng)調(diào)整布線的難易也與繞線 引擎的能力有絕對(duì)的關(guān)系。 例如, 走線的推擠能力, 過孔的推擠能力, 甚至走線對(duì)敷銅的推擠能力等等。 所以, 選擇一個(gè)繞線引擎能力強(qiáng)的布線器, 才是解決之道。
10、關(guān)于test coupon。
test coupon是用來以TDR (Time Domain Reflectometer) 測(cè)量所生產(chǎn)的PCB板的特性阻抗是 否滿足設(shè)計(jì)需求。 一般要控制的阻抗有單根線和差分對(duì)兩種情況。 所以， test coupon上的走線線寬和線距(有差分對(duì)時(shí))要與所要控制的線一樣。 最重要的是測(cè)量時(shí)接地點(diǎn)的位 置。 為了減少接地引線( ground lead)的電感值， TDR探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號(hào)的地方(probe tip)， 所以， test coupon上量測(cè)信號(hào)的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式 要符合所用的探棒。
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