电磁兼容与高速PCB设计
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PCB的特性阻抗设计中，微带线结构是最受欢迎的。常用 的微带线结构有4种：表面微带线、嵌入式微带线、带状 线、双带线。
4.特性阻抗问题(3)
表面微带线模型结构如图所示 其阻抗特性公式为：
差分信号，其特性阻抗Zd iff修正公式为：
4.特性阻抗问题(4)
0
Zs
Vi (1+ρ)Vi 0
VS
Z0
Zt
Zt Z 0
➢回流噪声：地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字
信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
➢断点：是信号线上阻抗突然改变的点。
4. 电源完整性问题-地面分割
模拟地
模拟地
数字地
单点连接
数字地
地线桥连接
4. 电磁兼容（EMC）
包括电磁干扰和电磁抗干扰 ， EMC设计规则有： ➢20H规则 . ➢接地面处理 ➢混合信号PCB的分区设计 ：第一个原则是尽可能减小电流环路
响应曲线
Z
f
Z f
Z f
Z f
变压 器
Z f
4.特性阻抗问题(1)
特性阻抗
考虑电磁波和有关方波传播， 原来简单的导线，逐渐转变成 高频与高速类的复杂传输线。
只考虑杂散分布的串联 电感和并联电容的效应， 会得到以下公式：
4.特性阻抗问题(2)
影响PCB走线特性阻抗的因素主要有： ➢铜线的宽度和厚度 ➢介质的介电常数和厚度 ➢焊盘的厚度 ➢地线的路径、周边的走线等。
4. PCB设计的问题－过孔
4. PCB设计的问题－过孔的处理
过孔（via）：
过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接； 二是用作器件的固定或定位。
从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即 盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(throu gh via)。
设计原则：过孔越小越好，这样板上可以留有更多的 布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越 小，更适合用于高速电路。
4. 信号完整性问题－串扰的产生
感应电流
Vnoise Lm didriver dt
4. 电源完整性问题
电源完整性PI ：
➢电子噪声：电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号
➢地弹噪声：强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和
地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电 容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增 加均会导致地弹的增大。
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电容
已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直 径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔 的寄生电容大小近似于：
C=1.41*ε*T*D1/(D2-D1)
主要影响:延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。
当T=50Mil,D1=20Mil，D2=32Mil，过孔内径d=10Mil
4. 信号完整性问题(2)
SI是个系统问题，以下是将问题的分解。
➢传输线效应分析：阻抗、损耗、回流…… ➢反射分析：过冲、振铃…… ➢时序分析：延时、抖动…… ➢串扰分析 ➢噪声分析：地弹、电源下陷…… ➢PI设计：确定如何选择电容、电容如何放置、PCB合适叠层方 式…… ➢PCB、器件的寄生参数影响分析 ➢ 端接技术等
过孔的寄生电容大致是：
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，引 起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517
x(55/2)=31.28ps
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电感
h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，则其电感L为： L=5.08h[ln(4h/d)+1]
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为： XL=πL/T10-90=3.19Ω。
5. 高速PCB的设计
在高速电路中，信号线对电源的影响：
5. 高速PCB的设计－终端匹配技术(SCRA TCHPAD)
单端信号的终端匹配技术通常包括：驱动端串行连接的终 端匹配技术，接收端并行连接的终端匹配技术、戴维南终 端匹配技术、AC终端匹配技术、二极管终端匹配技术
DIP封装：1：86
QFP封装：1:7.8
BGA封装：厚度比QFP减 少1/2以上重量减轻3/4 以上; 寄生参数减小信号 传输延迟小使用频率大 大提高
uBGA封装：1:4
CSP封装：1:1.1
MCM组件
2.制作PCB的基本流程
印刷电路板 内层线路 压 合 钻 孔
文字印刷 防焊绿漆
外层线路 二次铜
的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。
➢通过PCB分层堆叠设计 ➢降低EMI的机箱设计 ➢其它技术
4. 热设计
数字电路散热原理 散热处理
Tc＝Tj－P× RJC
4. PCB设计的问题
双面板/多层板选择问题：
➢最高工作频率 ➢电路系统的复杂程度 ➢组装密度的要求
如时钟频率超过200MHZ时，选用多层板； 如工作频率超过350MHz，选用以聚四氟 乙烯作为介质层的印制电路板：它的高频衰耗 要小；寄生电容要小；传输速度要快；还由于 Z0较大而省功耗。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(1)
➢所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔以减少串 扰如果有两距较近的信号线最好在两线之间走一条接地 线这样可以起到屏蔽作用。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(2)
➢设计信号传输线时要避免急拐弯以防传输线特性阻抗的 突变而产生反射要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆 弧线
Zt Z 0
Zs
VS
Z0
Z0
当Zt＝Z0
0
4. 特性阻抗问题(5)
Zs
VS
Z0
ZtZ00Z01
ZtZ0 0Z0
Zs
VS
Z0
ZtZ0Z01
ZtZ0 Z0
4.信号完整性问题(1)
信号完整性SI ：指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、 同步切换噪声和电磁兼容性。
镀通孔 一次铜
接点加工
成型切割
终检包装
3.目前的PCB软件
➢Protel ➢Orcad ➢Zuken ➢PowerPCB ➢Cadence
4. 硬件设计的问题
➢逻辑设计 ➢可靠性的设计
包括5个部分：特性阻抗、SI、PI、EMC、 热设计
元件在射频时的特性
元件 低频模型
导线 电阻 电容 电感
高频模型
6. PCB设计演示
D:\PADS2005\2005\Programs\pwrlogic. mdb
6. 基于Hyperlynx的信号完整性分析
分析信号：DSP_SDCLK, 长度为420mil
100MHz
180MHz
高速PCB设计
内容概要
➢器件封装知识 ➢制作PCB的基本流程 ➢目前的PCB软件 ➢PCB设计的基本问题 ➢高速PCB的设计 ➢PCB设计演示
1.器件封装－形式
目前常用的封装形式：
PDIP
SOP
QFP
PLCC
PG芯片面积与封装面积之比 ➢频率 ➢耐温性能 ➢重量减小 ➢可靠性提高 ➢使用更加方便
4.特性阻抗问题(3)
表面微带线模型结构如图所示 其阻抗特性公式为：
差分信号，其特性阻抗Zd iff修正公式为：
4.特性阻抗问题(4)
0
Zs
Vi (1+ρ)Vi 0
VS
Z0
Zt
Zt Z 0
➢回流噪声：地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字
信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
➢断点：是信号线上阻抗突然改变的点。
4. 电源完整性问题-地面分割
模拟地
模拟地
数字地
单点连接
数字地
地线桥连接
4. 电磁兼容（EMC）
包括电磁干扰和电磁抗干扰 ， EMC设计规则有： ➢20H规则 . ➢接地面处理 ➢混合信号PCB的分区设计 ：第一个原则是尽可能减小电流环路
响应曲线
Z
f
Z f
Z f
Z f
变压 器
Z f
4.特性阻抗问题(1)
特性阻抗
考虑电磁波和有关方波传播， 原来简单的导线，逐渐转变成 高频与高速类的复杂传输线。
只考虑杂散分布的串联 电感和并联电容的效应， 会得到以下公式：
4.特性阻抗问题(2)
影响PCB走线特性阻抗的因素主要有： ➢铜线的宽度和厚度 ➢介质的介电常数和厚度 ➢焊盘的厚度 ➢地线的路径、周边的走线等。
4. PCB设计的问题－过孔
4. PCB设计的问题－过孔的处理
过孔（via）：
过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接； 二是用作器件的固定或定位。
从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即 盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(throu gh via)。
设计原则：过孔越小越好，这样板上可以留有更多的 布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越 小，更适合用于高速电路。
4. 信号完整性问题－串扰的产生
感应电流
Vnoise Lm didriver dt
4. 电源完整性问题
电源完整性PI ：
➢电子噪声：电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号
➢地弹噪声：强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和
地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电 容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增 加均会导致地弹的增大。
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电容
已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直 径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔 的寄生电容大小近似于：
C=1.41*ε*T*D1/(D2-D1)
主要影响:延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。
当T=50Mil,D1=20Mil，D2=32Mil，过孔内径d=10Mil
4. 信号完整性问题(2)
SI是个系统问题，以下是将问题的分解。
➢传输线效应分析：阻抗、损耗、回流…… ➢反射分析：过冲、振铃…… ➢时序分析：延时、抖动…… ➢串扰分析 ➢噪声分析：地弹、电源下陷…… ➢PI设计：确定如何选择电容、电容如何放置、PCB合适叠层方 式…… ➢PCB、器件的寄生参数影响分析 ➢ 端接技术等
过孔的寄生电容大致是：
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，引 起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517
x(55/2)=31.28ps
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电感
h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，则其电感L为： L=5.08h[ln(4h/d)+1]
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为： XL=πL/T10-90=3.19Ω。
5. 高速PCB的设计
在高速电路中，信号线对电源的影响：
5. 高速PCB的设计－终端匹配技术(SCRA TCHPAD)
单端信号的终端匹配技术通常包括：驱动端串行连接的终 端匹配技术，接收端并行连接的终端匹配技术、戴维南终 端匹配技术、AC终端匹配技术、二极管终端匹配技术
DIP封装：1：86
QFP封装：1:7.8
BGA封装：厚度比QFP减 少1/2以上重量减轻3/4 以上; 寄生参数减小信号 传输延迟小使用频率大 大提高
uBGA封装：1:4
CSP封装：1:1.1
MCM组件
2.制作PCB的基本流程
印刷电路板 内层线路 压 合 钻 孔
文字印刷 防焊绿漆
外层线路 二次铜
的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。
➢通过PCB分层堆叠设计 ➢降低EMI的机箱设计 ➢其它技术
4. 热设计
数字电路散热原理 散热处理
Tc＝Tj－P× RJC
4. PCB设计的问题
双面板/多层板选择问题：
➢最高工作频率 ➢电路系统的复杂程度 ➢组装密度的要求
如时钟频率超过200MHZ时，选用多层板； 如工作频率超过350MHz，选用以聚四氟 乙烯作为介质层的印制电路板：它的高频衰耗 要小；寄生电容要小；传输速度要快；还由于 Z0较大而省功耗。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(1)
➢所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔以减少串 扰如果有两距较近的信号线最好在两线之间走一条接地 线这样可以起到屏蔽作用。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(2)
➢设计信号传输线时要避免急拐弯以防传输线特性阻抗的 突变而产生反射要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆 弧线
Zt Z 0
Zs
VS
Z0
Z0
当Zt＝Z0
0
4. 特性阻抗问题(5)
Zs
VS
Z0
ZtZ00Z01
ZtZ0 0Z0
Zs
VS
Z0
ZtZ0Z01
ZtZ0 Z0
4.信号完整性问题(1)
信号完整性SI ：指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、 同步切换噪声和电磁兼容性。
镀通孔 一次铜
接点加工
成型切割
终检包装
3.目前的PCB软件
➢Protel ➢Orcad ➢Zuken ➢PowerPCB ➢Cadence
4. 硬件设计的问题
➢逻辑设计 ➢可靠性的设计
包括5个部分：特性阻抗、SI、PI、EMC、 热设计
元件在射频时的特性
元件 低频模型
导线 电阻 电容 电感
高频模型
6. PCB设计演示
D:\PADS2005\2005\Programs\pwrlogic. mdb
6. 基于Hyperlynx的信号完整性分析
分析信号：DSP_SDCLK, 长度为420mil
100MHz
180MHz
高速PCB设计
内容概要
➢器件封装知识 ➢制作PCB的基本流程 ➢目前的PCB软件 ➢PCB设计的基本问题 ➢高速PCB的设计 ➢PCB设计演示
1.器件封装－形式
目前常用的封装形式：
PDIP
SOP
QFP
PLCC
PG芯片面积与封装面积之比 ➢频率 ➢耐温性能 ➢重量减小 ➢可靠性提高 ➢使用更加方便