高速数字电路设计教材-华为-黑魔手册翻译版-5

高速数字电路设计教材

yyyy-mm-dd

日期：

批准:yyyy-mm-dd 日期：

审核:yyyy-mm-dd 日期：

审核:yyyy-mm-dd 日期：

拟制

:华为技术有限公司

版权所有 侵权必究

目 录

265.8.6　高速板的额外的忠告(Extra Hints for High-speed Boards) (25)

5.8.5　规范的层堆积(Classic Layer Stacks) (25)

5.8.4　路径密度对比层数(Routing Density Versus Number of Routing Layers) (24)

5.8.3　选择线径尺寸(Selecting Trace Dimentions) (23)

5.8.2　底板(Chassis Layer) (22)

5.8.1　电源和地设计(Power and Ground Planning) (22)

5.8 印制板层数是怎样堆积的(How to Stack Printed Circuit Board Layers) (22)

5.7.6　使用一系列端点来降低串扰(Using Series Terminations to Reduce Crosstalk) (21)

5.7.5在两根线的串扰特性(Characterizing Crosstalk Between Two Lines) (19)

5.7.4 近端串扰怎样变成远端问题(How Near-end Crosstalk Becomes a Far-end

Problem) (19)

5.7.3 相互感抗和相互容感的结合(Combining Mutual Inductive and Mutual Cappacitive

Coupling) (18)

5.7.2　容感耦合方式(Capacitive Coupling Mechanism) (15)

5.7.1 感应耦合机制(Inductive Coupling Mechanism) (15)

5.7 近端和远端串扰(Near-end and Far-end Crosstalk) (13)

5.6　保护路径(Groud Traces) (11)

5.5 电源和地指（FINGERS ）的串扰(Crosstalk with Power and Ground Fingers) (10)

5.4 交叉开口地平面的串扰(Crosstalk in Cross-hatched Ground Places) (7)

5.3 窄条地平面的串扰(Crosstalk in Slotted Ground Places) (5)

5.2 固定地平面的串扰(Crosstalk in Solid Ground Places) (3)

5.1 高速电流在最少的感应系数路径流动（High Speed Current Follows the Path for

Least Inductance) (3)

第 5 章　地平面和层堆积...........................................................

第 5 章　地平面和层堆积

摘要：在高速数字系统中，地和电源平面主要有三个重要的作用：

1) 对数字交换信号提供稳定的参考电压。

2) 对所有逻辑器件发散功耗。

3) 在信号间控制串扰。

这一章重点放在信号的串扰，5.1-5.6节中分析假定是比较短的路径，相互感应系数的分析是恰当的。5.7节分析长路径，我们将连接分成前向和后向部分。5.8节总结了为防止串扰，如何设计好的印制板的几条规律。

这一章的公式只是在一定程度上是精确的，为了更好地应用这些公式，我们必须建立一些模型，许多是很容易用铜线和线路板建起来的。这些公式很好地显示了电磁波是如何影响物理信号的变化的。如串扰如果高达30%，公式就会显示它是如何进一步影响路径的，但是它不能精确地描述对任何部分作用的绝对值。

5.1高速电流在最少的感应系数路径流动（High Speed Current Follows the Path for Least Inductance)

在低速电路中，电流经过最小电阻的路径，可参考图5.1，低速电流从A到B通过地平面回到驱动源。回来的电流所经过的面积是很大的，电流密度依赖于所经过路径的电导。

在高速电路中，所给定路径的感应系数远远重要于电阻，高速电流返回的路径依赖于感应系数而不是电阻。最低感应系数路径在信号导体的正下方，在去和回来之间有最小的环回面积。返回信号趋向于走这一条路径。如图5.2

图5.3代表在典型印制板中交叉面的返回电流的分布情况，电流密度的峰值在路径的正下方，而向两边迅速减小。在距离信号路径D处的返回电流密度是：

电流分布公式5.1平衡了两个相反的力量。如果电流被拉的更紧，那将会有更大的感应系数(表面电线比平面有更大的感应系数)，如果电流在离信号更远的地方传输，那么在来回的环回面积

会增大，相应的感应系数也会增大。公式5.1是描述在理想情况最小环回面积下电流密度的分布情况。

电流分布也将贮存在信号线周围的电磁场能量减少到最小。

本节要点：

y高速电流在最小感应系数的路径中流动。

y返回信号电流靠近信号导体，随着距离的增加成平方的衰减。

5.2 固定地平面的串扰(Crosstalk in Solid Ground Places)

在两个导体之间的串扰依赖于它们之间的感应系数和电容。通常在数字电路中，电感串扰大于电容串扰，因此我们主要讨论电感串扰的几种机制。

这个理论在1.10讨论过，主要是说返回信号电流会产生电磁场，而电磁场又会在其它回路中产生电压。

因为返回电流密度和它相关的本地电磁场强度根据公式5.1下降，我们假设互感系数串扰也会因移动两条路径而下降，如图5.4所描述。

这里我们将串扰表达成一个测量噪音电压的比率，系数K依赖于电路的上升时间和接口路径的长度，它总是小于1。

我们可以做一个试验来验证这个假设，在图5.5中路径长26in.间隔0.080in. 它们位于单个平面上，地平面是一块铜皮位于线路下面，它们之间是已知厚度的电介质。这样我们可以同时改变地平面上驱动和接收路径的高度。在这个问题中我们要注意D/H 它比绝对尺寸更重要，它可以测量串扰，通过改变高度，我们可以控制D/H。