高速电路的印制板设计

受到破坏，严重时会有电磁辐射，干扰相邻的线 路或相邻印制板甚至整个系统的正常工作，这一 现象称为电磁干扰（EMI）。 产生EMI的原因主要有： 电路工作频率太高； 逻辑器件的边沿速率太快； 印制板基材选择不当和布局布线不合理。 目前，印制板的CAD设计有EMI仿真软件工具， 通过设定仿真参数和设置边界条件建模进行仿真。 如IBIS模型和SPICE模型等。应用的软件很多 （如Mentron Graphics公司的IS软件，Power PCB5.0设计软件，以色列的Valor），发展也很 快,不同的软件其操作程序和功能都不完全相同。
纯铜材料的电阻率（ρ＝1.72×10－8Ω· m）很小， 因此铜印制导线的电阻也很小，在直流或低频电 路中印制导线较短时，线电阻可以忽略。当信号 频率升高超过一定范围则呈现电感和电容特性， 这时导线电阻称为阻抗（Z），包括电阻、感抗 （jXL=2πfL）和容抗(Xc=1/2 πfc)，用公式表示 为： Z=R+ jXL+ Xc 在音频以上（＞2kHz）导线均表现出感抗，当频 率超过100kHz以上感抗超过电阻，而在高频中容 抗不包括阻抗频率响应的方程中。所以印制板上 的导线可以等效为串联的电阻、电感和并联的电 阻、电容结构（见图2－1）
在一般低频电路中使用的印制板主要的功能是为元器件的安装和实现电气连接和绝缘提供的基板而在高速高频电路中使用的印制板不仅要具有以上的基本功能并且还会对电路的参数和信号的完整性有较大的影响印制板的选材布线和电磁兼容问题考虑十分重要因而高速电路印制板的设计除应保持一般印制板设计的基本要求外还应有一些特殊的设计要求和方法
一般电气、机械和使用的环境要求外，必须要对 基材的介电常数和介质损耗及耐离子迁移等特性 有严格要求。 3.3印制板的结构复杂 普通印制板有单面、双面和多层布线，而高速电 路印制板主要是双面和多层布线，多数为具有地、 电层的多层板，并且布线密度较高、通孔较少， 层间互连可能有盲孔、埋孔，并且多数为表面安 装板。 3.4孔径小、导线精度要求高 为了减少过孔的寄生电容，高速电路印制板的过 孔的直径较小，数量也尽量少；为了保证传输导 线的特性阻抗值，印制导线的尺寸精度高。 3.5导线层与地电层之间介质层距离小 导线层与地、电层之间距离小，过孔长度小，有
高速电路设计，是一项复杂的电子设计工作，它 包括两个方面，即高速的电路设计和高速电路印 制板设计。这两个方面相互影响，又相互制约。 高速信号在印制板上传输，会产生传输效应，可 能引起信号的失真和不完整性，高速电路的印制 板设计，就是要尽量减少或降低传输效应对电路 的影响。做好高速电路印制板设计需要掌握复杂 的高速电路理论及其计算，又要了解高速电路用 印制板的特性，并要有一定的实践经验。 本文将从高速电路及其印制板基材的特性入手， 着重介绍高速电路用印制板的材料选择、布局、 布线及各要素设计。企望能对高速电路的印制板 设计者起到抛砖引玉的作用。
通常是在电路中大量芯片的输出同时开启时，有 一个较大的瞬态电流在芯片与印制板的电源平面 流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发 电源噪声，从而引起地平面上的电压波动。负载 电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大以 及同时开关的器件数目增加，都会导致地弹的增 大。 PCB上的地电平面的分割不当，当数字信号线走 到模拟地布线区时，也会产生地平面回流噪声 （6）多次跨越逻辑电平阈限错误 信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平阈限， 导致逻辑功能紊乱的一种特殊的信号振荡形式。 信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容 引起的，振荡属于欠阻尼状态，而环绕振荡
（1）信号反射（Reflection） 是指信号功率从源通过传输导线到达负载，如果 源端与负载端阻抗相同，反射不会产生；如果源 端与负载端的阻抗不匹配，在传输线上就会引起 信号的反射，负载将一部分电压反射回源端，从 而使信号轮廓失真变形。过长的走线、布线的几 何形状、不正确的端接（布线拓扑不合理），经 过连接器的传输及电源平面的不连续性等因素的 变化都会引起反射信号的产生。如果负载阻抗大 于源端阻抗，反射电压为正；反之，负载阻抗小 于源端阻抗，反射电压为负。 当源端和负载端阻抗都不能与传输线的特性阻抗 匹配时，会发生多次反射，并切反射的信号在传 输线上随反射次数增加而衰减，就像衰减振荡器
高速电路的印制板设计
航天时代电子公司 姜培安 2008.05
主要内容
1.概述 2.高速电路设计的基础理论 3.高速电路用印制板的特点 4.印制板设计的 内容和方法 5.高速电路PCB基材及选择 6.PCB的结构要素设计 7. PCB对高速信号完整性的影响 8. PCB的涂镀层和热设计考虑 9.印制板图设计 10.布局和布线 11.地线和电源线设计 12.高速电路PCB的可制造性 13.PCB的可靠性平价 14.结束语
3.高速电路用印制板的特点
由于高速电路的特性，它所用的印制板与普通印 制板相比有许多不同的特点，设计时必须注意这 些特点，采取相应措施才能获得满意的设计效果。 这些特点主要反映在以下方面： 3.1印制板的功能扩大 一般印制板的功能是为电子元器件提供安装支撑、 实现电气连接和绝缘的基板；而高速电路用印制 板除此功能之外，还具有特性阻抗、电磁兼容的 性能，构成电路参数的一部分，结构和布线参数 直接影响电路的性能，使印制电路板真正具有电 路的功能。 3.2印制板所用的基材有特殊要求 高速电路用印制板所采用的基材，除了要满足其
一样，不对称的衰减达到一个稳定的值，这种现象 又称为振铃，实际上是反复出现的过冲和下冲。 （2）延时或时序错误（Delay） 信号延时或时序错误是指：信号在印制导线上以 有限的速度传输，信号从源端出发到达接收端， 其间有一固定时间，这一时间称延时。当信号在 导线传输时间大于驱动端器件的上升或下降时间 的1/2，称延迟，信号的延迟会对系统的时序产生 影响，引起传输的问题。在高速数字电路的印制 板中，走线过长、过孔太多以及导线周围介质的 介电常数和介质损耗等因素都会导致传输延迟而 影响高速电路的正常工作。
图2－1高频时印制导线的等效电路
2.2.2特性阻抗(characteristic impedance)
印制板上的传输线阻抗是瞬间变化的电压与电流 之比即：Z=U/I ,总的阻抗在高频时感抗和容抗远 大于电阻分量，所以阻抗又可以用感抗和容抗表 示，Zo=√Lo/Co 。它与导线的宽度、厚度及相邻 接地层的距离和基板材料的介电常数有关。所以 在印制导线上的阻抗在高频或高速电路中称为特 性阻抗（Zo）。 传输线的特性阻抗一般为50～75Ω，如果阻抗的
是过阻尼状态。振荡可以通过适当的端接予以减 小，但是不可能完全消除。如时钟、振荡器电路 等容易产生振荡，影响信号的完整性，它同反射 一样是由于阻抗不匹配、布线的几何形状、不正 确的端接等多种因素引起的，应根据具体情况， 有重点的综合性采取措施，才能减少振荡。 （7）电磁 干扰（Electromagnetic Interference） 根据麦克斯韦方程（电磁感应方程）： ▽×E＝－δ B/δ t 和 ▽×H ＝J＋ δ D/δ t 即：在闭合电路中变化的电场产生磁场，而变化 的磁场又产生电场。在印制板上高速电路工作时， 有时变电流产生，因而板上即有电场又有磁场， 并且这些磁场和电场，随着电路频率的提高而逐 步加强，达到一定限度，就会对电路的工作产生 不利的影响，会使电路失真，信号的完整性
（4）串扰（Crosstalk） 串扰是两条相邻信号线之间的耦合，信号线之间 的互感和互容引起线上的噪声。互容性耦合引发 耦合电流，互感性耦合引发耦合电压。它表现为 PCB上当一根导线上有信号通过时，在与之相邻 的信号线上就会感应出相关信号，干扰了信号的 正常传递。 PCB的结构、相邻信号线的间距、驱动端和接收 端的电气特性及导线的端接方式对导线串扰都有 一定影响。 （5）地弹 在电路中有较大的电流涌动时，会引起地平面 （0V）上产生电压的波动和变化，形成地平面反 弹噪声，会影响其他元器件误动作，这种现象称 为地弹。
1.概述
电子元器件和印制电路板是构成电子整机的重要 基础零部件，微电子技术的飞速发展，特别是数字 化、高集成度、高可靠和小型化的片式元器件的出 现，为电子整机产品向小型化、轻量化、高速度、 高可靠、多功能的发展创造了有力的条件。 电子产品的 数字化和高速度，要求电路要在较高 的频率或器件在较高的开关速度下工作，其电路的 特性和安装元器件的印制电路板特性与一般中、低 频电路及其印制电路板的特性有很大变化，设计和 制造、测试的难度更大。 高速电路已在IT、通讯和制导控制等系统的电子 产品中得到广泛应用，这对安装电子元器件的印制 电路板及其设计也提出了新的要求和挑战，印制电 路的设计技术也必须应对这些挑战，以适应新的 高 速器件应用要求。
2 高速电路设计的基础理论
2.1高速电路的含义:
随着电子器件的发展，逻辑电路的集成度和工作 频率越来越高，工作状态变换的边沿速率越来越 快，使电子系统的设计复杂性、工作频率和集成 度大大提高。当数字逻辑电路的频率达到或超过 45～50MHz时，将会产生传输效应和信号完整性 的问题。 如果电路中工作在这个频率以上的部分，占整 个电子系统30％以上或主频率在120MHz以上的 部分占20％的电路通常称为高速电路。 实际上，器件的快速上升和下降时间，使信号
（3）过冲与下冲（Overshoot/Undershoot） 过冲与下冲是信号在由上升沿变成高电平或下降 沿变为低电平时产生的现象，过冲是第一个峰值 或谷值超过设定的电压，即 对上升沿是指最高电 压，对下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷 值和峰值。过度的过冲能引起保护二极管工作， 瞬间产生的高于或低于平稳电平的毛刺，可能远 远地超过元件的电压范围，损坏元器件。 过分的下冲可能引起假的时钟或传输数据的错误， 会引起器件误动作。 PCB的信号线走线过长或者信号变化太快或两者 同时存在都是引起过冲和下冲的原因。
值太低，则驱动器会过载，功耗增加，从而产生 热损耗，温升提高；如果阻抗值太高，将会产生 更多的串扰，从而对敏感电路产生干扰，进而引 起电磁干扰问题。
2.2.3传输线效应
如果印制导线作为传输线，与信号接收端的阻抗 不匹配或导线的阻抗与电路的传输延时要求不匹 配，都会引起信号的最终状态不同和影响信号的 完整性。根据不同的传输线模型，在电路上可能 产生： 信号反射、延时或时序错误、过冲与下冲、串扰、 地弹、多次跨越逻辑电平阈限错误和电磁 辐射等效应。 这些效应统称为传输效应。
边沿的谐波频率比信号本身的频率高，所引起的 传输效应要比工作频率引起的更为普遍。 所以，高速电路传输线又可以理解为信号在导线 中传输延时大于1/2数字器件上升沿时间（驱动端） 时，则该导线为高速信号传输线。高速信号超过 一定比例则该电路为高速电路。 2.2传输效应
2.2.1阻抗 (impedance） 电路中的导线供信号电流的传递用，在低频段主 要呈电阻特性，遵循基本电阻定律即： R=ρ×L / s = ρL / w.t 式中：R－电阻；ρ－导线电阻率 ; L－导线长度； s－导线截面积；w－线宽度；t－导线厚度。
式中： δ －趋肤深度 μ 0－铜的导磁率（4Л×10－7 H/m ） ζ－铜的导电率（5.8×10－7Ω /m） f －频率（s－1）
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实际上导线的趋肤深度在高频时很薄，如100MHz 时，趋肤深度只有0.0017mm。而频率在1MHz时， 趋肤深度为0.017mm，对薄铜箔的印制导线，可以 说这一频率的电流基本上在整个导体层流过。因 此趋肤效应只在较高频率的高速电路和微波电路 中存在。在频率较低的电路中不予考虑。 对于信号的趋肤效应，在印制板中导体表面镀层 和导线上的有机涂层的特性会影响信号电流的传 递，如果镀层电阻率高或涂层介质损耗大，会引 起信号衰减和阻抗的变化，因而影响电路的正常 工作。了解此特性，在印制板设计时应正确选择 涂、镀层。
（8）趋肤效应
当高频的交变电，流过导线时，电流将趋向在 导线的表面流动，随着频率的提高，电流就越趋 向于在导线表面。这一现象称为趋肤效应。 当导体内部电磁场和电流的大小减小到导体表面 电流值的37％时，则该点到导体表面的距离被定 义为趋肤深度（ δ ），它与电路的频率、导线的 电导率和导磁率等因素有关，用公式表示为： δ ＝ √Лf μ0 ζ