電子產(chǎn)品PCB設計實用經(jīng)驗問答

Q:

在電路板尺寸固定的情況下，如果設計中需要容納更多的功能，就往往需要提高PCB的走線密度，但是這樣有可能導致走線的相互干擾增強，同時走線過細也使阻抗無法降低，請專家介紹在高速（>100MHz)高密度PCB設計中的技巧?

A:

在設計高速高密度PCB時，串擾(crosstalk interference)確實是要特別注意的，因為它對時序(timing)與信號完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個注意的地方：

1.控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。

2.走線間距的大小。一般?？吹降拈g距為兩倍線寬?？梢酝高^仿真來知道走線間距對時序及信號完整性的影響，找出可容忍的小間距。不同芯片信號的結果可能不同。

3.選擇適當?shù)亩私臃绞健?/p>

4.避免上下相鄰兩層的走線方向相同，甚至有走線正好上下重迭在一起，因為這種串擾比同層相鄰走線的情形還大。

5.利用盲埋孔(blind/buried via)來增加走線面積。但是PCB板的制作成本會增加。

在實際執(zhí)行時確實很難達到完全平行與等長，不過還是要盡量做到。除此以外，可以預留差分端接和共模端接，以緩和對時序與信號完整性的影響。

若對蔽公司的Expedition系列產(chǎn)品有興趣，請電21-64159380，會有專人為您服務。

Q:

現(xiàn)在有哪些PCB設計軟件,如何用PROTEL99合理的設計符合自己要求的PCB.比如如何滿足高頻電路的要求,如何考慮電路滿足抗干擾的要求? 謝謝!!

A:

我沒有使用Protel的經(jīng)驗，以下僅就設計原理來討論。

高頻數(shù)字電路主要是考慮傳輸線效應對信號質(zhì)量與時序(timing)的影響。如特性阻抗的連續(xù)與匹配，端接方式的選擇，拓樸(topology)方式的選擇，走線的長度與間距，時鐘(或strobe)信號skew的控制等。

如果器件已經(jīng)固定，一般抗干擾的方式是拉大間距或加ground guard traces

Q:

請問板子設計好，生產(chǎn)出來，DEBUG應從那幾個方面著手。

A:

就數(shù)字電路而言，首先先依序確定三件事情：

1.確認所有電源值的大小均達到設計所需。有些多重電源的系統(tǒng)可能會要求某些電源之間起來的順序與快慢有某種規(guī)范。

2.確認所有時鐘信號頻率都工作正常且信號邊緣上沒有非單調(diào)(non-monotonic)的問題。

3.確認reset信號是否達到規(guī)范要求。

這些都正常的話，芯片應該要發(fā)出一個周期(cycle)的信號。接下來依照系統(tǒng)運作原理與bus protocol來debug。

Q:

請問適當選擇PCB與外殼接地的點的原則是什么？另外，一般PCB LAYOUT工程師總是根據(jù)DESIGN GUIDE/LAYOUT GUIDELINE做，我想了解一般制定GUIDE的是硬件/系統(tǒng)工程師，還是資深PCB工程師？誰應該對板級系統(tǒng)的性能負主要責任。謝謝！

A:

與外殼接地點選擇的原則是利用chassis ground提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)及控制此回流電流的路徑。例如，通常在高頻器件或時鐘產(chǎn)生器附近可以借固定用的螺絲將PCB的地層與chassis ground做連接，以盡量縮小整個電流回路面積，也就減少電磁輻射。

誰應該負責制定guideline可能每個公司有不同的情況而有不同安排。Guideline的制定必須對整個系統(tǒng)、芯片、電路動作原理有充分的了解，才能制定出符合電氣規(guī)范且可實現(xiàn)的guideline。所以，以我個人的觀點，硬件系統(tǒng)工程師似乎較適合這個角色。當然，資深PCB工程師可以提供在實際實現(xiàn)時的經(jīng)驗，使得這guideline可以實現(xiàn)的更好。

Q:

向您請教一下關于DVB-S的噪聲門限測試問題，請您就目前內(nèi)關于噪聲門限的測試做一綜述，感謝您的指點。

A:

抱歉，我沒有DVB-S (Digital Video Broadcasting)相關的設計經(jīng)驗與資料可提供給你。

Q:

近聽說一家以色列的公司Valor在內(nèi)試推PCB layout的solution,不知該公司產(chǎn)品如何？

A:

抱歉，我不適合在這場合評論其它競爭對手的產(chǎn)品。我認為任何EDA軟件產(chǎn)品合不合用與要設計的產(chǎn)品的特性有關。例如，所設計的產(chǎn)品其走線密度是否很高，這可能對繞線引擎的推擠線功能有不同的需求。以下僅提供一些考慮的方向：

1.使用者的接口是否容易操作。

2.推擠線的能力(此項關系到繞線引擎的強弱)

3.鋪銅箔編輯銅箔的難易

4.走線規(guī)則設定是否符合設計要求

5.機構圖接口的種類。

6.零件庫的創(chuàng)建、管理、調(diào)用等是否容易

7.檢驗設計錯誤的能力是否完善

Q:

請問，模擬電源處的濾波經(jīng)常是用LC電路。但是，我發(fā)現(xiàn)有時LC比RC濾波效果差，請問這是為什么，濾波時選用電感，電容值的方法是什么？

A:

LC與RC濾波效果的比較必須考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當。 因為電感的感抗(reactance)大小與電感值和頻率有關。如果電源的噪聲頻率較低，而電感值又不夠大，這時濾波效果可能不如RC。但是，使用RC濾波要付出的代價是電阻本身會耗能，效率較差，且要注意所選電阻能承受的功率。

電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外，還要考慮瞬時電流的反應能力。如果LC的輸出端會有機會需要瞬間輸出大電流，則電感值太大會阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度，增加紋波噪聲(ripple noise)。

電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關。紋波噪聲值要求越小，電容值會較大。而電容的ESR/ESL也會有影響。

另外，如果這LC是放在開關式電源(switching regulation power)的輸出端時，還要注意此LC所產(chǎn)生的極點零點(pole/zero)對負反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。

Q:

對于lvds低壓差分信號，原則上是布線等長、平行，但實際上較難實現(xiàn)，是否能提供一些經(jīng)驗？貴公司產(chǎn)品是否有試用版？

A:

差分信號布線時要求等長且平行的原因有下列幾點：

1.平行的目的是要確保差分阻抗的完整性。平行間距不同的地方就等于是差分阻抗不連續(xù)。

2.等長的目的是想要確保時序(timing)的準確與對稱性。因為差分信號的時序跟這兩個信號交叉點(或相對電壓差值)有關，如果不等長，則此交叉點不會出現(xiàn)在信號振幅(swing amplitude)的中間，也會造成相鄰兩個時間間隔(time interval)不對稱，增加時序控制的難度。

3.不等長也會增加共模(common mode)信號的成分，影響信號完整性(signal integrity)。

Q:

您能比較一下CandenceInnovedaMentorZuken公司各自的自動布線及SI仿真工具嗎？有沒有測試指標呢？

A:

各個PCB板子相互連接之間的信號或電源在動作時，例如A板子有電源或信號送到B板子，一定會有等量的電流從地層流回到A板子 (此為Kirchoff current law)。這地層上的電流會找阻抗小的地方流回去。所以，在各個不管是電源或信號相互連接的接口處，分配給地層的管腳數(shù)不能太少，以降低阻抗，這樣可以降低地層上的噪聲。另外，也可以分析整個電流環(huán)路，尤其是電流較大的部分，調(diào)整地層或地線的接法，來控制電流的走法(例如，在某處制造低阻抗，讓大部分的電流從這個地方走)，降低對其它較敏感信號的影響。

Q:

眾所周知PCB板包括很多層，但其中某些層的含義我還不是很清楚。mechanical，keepoutlayer,topoverlay,bottomoverlay, toppaste,bottompaste,topsolder,bottomsolder,drillguide,drilldrawing,multilayer這些層不知道它們的確切含義。希望您指教。

A:

在EDA軟件的專門術語中，有很多不是有相同定義的。以下就字面上可能的意義來解釋。

Mechnical: 一般多指板型機械加工尺寸標注層

Keepoutlayer: 定義不能走線、打穿孔(via)或擺零件的區(qū)域。這幾個限制可以獨立分開定義。

Topoverlay: 無法從字面得知其意義。多提供些訊息來進一步討論。

Bottomoverlay: 無法從字面得知其意義?？啥嗵峁┬┯嵪磉M一步討論。

Toppaste: 頂層需要露出銅皮上錫膏的部分。

Bottompaste: 底層需要露出銅皮上錫膏的部分。

Topsolder: 應指頂層阻焊層，避免在制造過程中或?qū)砭S修時可能不小心的短路 Bottomsolder: 應指底層阻焊層。

Drillguide: 可能是不同孔徑大小，對應的符號，個數(shù)的一個表。

Drilldrawing: 指孔位圖，各個不同的孔徑會有一個對應的符號。

Multilayer: 應該沒有單獨這一層，能指多層板，針對單面板和雙面板而言。

Q:

如何選擇PCB板材?如何避免高速數(shù)據(jù)傳輸對周圍模擬小信號的高頻干擾,有沒有一些設計的基本思路? 謝謝

A:

選擇PCB板材必須在滿足設計需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點。設計需求包含電氣和機構這兩部分。通常在設計非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時這材質(zhì)問題會比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個GHz的頻率時的介質(zhì)損dielectric loss會對信號衰減有很大的影響，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)損在所設計的頻率是否合用。

避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號電磁場的干擾，也就是所謂的串擾(Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘柡湍M信號之間的距離，或加ground guard/shunt traces在模擬信號旁邊。還要注意數(shù)字地對模擬地的噪聲干擾。

Q:

在高密度印制板上通過軟件自動產(chǎn)生測試點一般情況下能滿足大批量生產(chǎn)的測試要求嗎?添加測試點會不會影響高速信號的質(zhì)量？

A:

一般軟件自動產(chǎn)生測試點是否滿足測試需求必須看對加測試點的規(guī)范是否符合測試機具的要求。另外，如果走線太密且加測試點的規(guī)范比較嚴，則有可能沒辦法自動對每段線都加上測試點，當然，需要手動補齊所要測試的地方。

至于會不會影響信號質(zhì)量就要看加測試點的方式和信號到底多快而定?；旧贤饧拥臏y試點(不用線上既有的穿孔(via or DIP pin)當測試點)可能加在線上或是從線上拉一小段線出來。前者相當于是加上一個很小的電容在線上，后者則是多了一段分支。這兩個情況都會對高速信號多多少少會有點影響，影響的程度就跟信號的頻率速度和信號緣變化率(edge rate)有關。影響大小可透過仿真得知。原則上測試點越小越好(當然還要滿足測試機具的要求)分支越短越好。

Q:

在高速板(如p4的主板)layour，為什么要求高速信號線(如cpu數(shù)據(jù)，地址信號線）要匹配? 如果不匹配會帶來什么隱患？其匹配的長度范圍（既信號線的時滯差）是由什么因素決定的，怎樣計算？

A:

要求走線特性阻抗匹配的主要原因是要避免高速傳輸線效應(transmission line effect)所引起的反射(reflection)影響到信號完整性(signal integrity)和延遲時間(flight time)。也就是說如果不匹配，則信號會被反射影響其質(zhì)量。

所有走線的長度范圍都是根據(jù)時序(timing)的要求所訂出來的。影響信號延遲時間的因素很多，走線長度只是其一。P4要求某些信號線長度要在某個范圍就是根據(jù)該信號所用的傳輸模式(common clock或source synchronous)下算得的timing margin，分配一部份給走線長度的允許誤差。 至于， 上述兩種模式時序的計算， 限于時間與篇幅不方便在此詳述， 請到下列網(wǎng)址http://developer.intel.com/design/Pentium4/guides 下載"Intel Pentium 4 Processor in the 423-pin Package/Intel 850 Chipset Platform Design Guide"。 其中 "Methodology for Determining Topology and Routing Guideline"章節(jié)內(nèi)有詳述。

Q:

首先感謝您回答我上次的問題。上回您說電源平面和地平面基本上都是金屬平面，所以對電場磁場都有屏蔽效應，那我可以把電源平面上面的信號線使用微帶線模型計算特性阻抗嗎?電源和地平面之間的信號可以使用帶狀線模型計算嗎？

A:

是的， 在計算特性阻抗時電源平面跟地平面都必須視為參考平面。 例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層， 這時頂層走線特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線模型。

Q:

在高速PCB設計中，信號層的空白區(qū)域可以敷銅，那么多個信號層的敷銅是都接地好呢，還是一半接地，一半接電源好呢？

A:

一般在空白區(qū)域的敷銅絕大部分情況是接地。 只是在高速信號線旁敷銅時要注意敷銅與信號線的距離， 因為所敷的銅會降低一點走線的特性阻抗。 也要注意不要影響到它層的特性阻抗， 例如在dual stripline的結構時。

Q:

test coupon的設計有什么規(guī)范可以參照嗎？如何根據(jù)板子的實際情況設計test coupon？有什么需要注意的問題？謝謝！

A:

test coupon是用來以TDR (Time Domain Reflectometer) 測量所生產(chǎn)的PCB板的特性阻抗是否滿足設計需求。 一般要控制的阻抗有單根線和差分對兩種情況。 所以， test coupon上的走線線寬和線距(有差分對時)要與所要控制的線一樣。 重要的是測量時接地點的位置。 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的地方(probe tip)， 所以， test coupon上量測信號的點跟接地點的距離和方式要符合所用的探棒。 以下提供兩篇文章參考:

1. http://developer.intel.com/desig ... ots/pcd_pres399.pdf

2. http://www.Polarinstruments.com/index.html (點選Application notes)

Q:

為了大限度的保證高速信號質(zhì)量，我們都習慣于手工布線，但效率太低。使用自動布線器又無法監(jiān)控關鍵信號的繞線方式，過孔數(shù)目、位置等。手工走完關鍵信號再自動布線又會降低自動布線的布通率，而且自動布線結果的調(diào)整意味著更多的布線工作量，如何平衡以上矛盾，利用優(yōu)秀的布線器幫助完成高速信號的布線？

A:

現(xiàn)在較強的布線軟件的自動布線器大部分都有設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定項目有時相差甚遠。 例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對的走線間距等。 這會影響到自動布線出來的走線方式是否能符合設計者的想法。 另外, 手動調(diào)整布線的難易也與繞線引擎的能力有絕對的關系。 例如, 走線的推擠能力, 過孔的推擠能力, 甚至走線對敷銅的推擠能力等等。 所以, 選擇一個繞線引擎能力強的布線器, 才是解決之道。如果您對蔽公司Expedition有興趣試看看我們的繞線引擎, 請電21-64159380, 會有專人為您服務。

Q:

一些系統(tǒng)中經(jīng)常有A/D，問：要提高抗干擾性，除了模擬地和數(shù)字地分開只在電源一點連接，加粗地線和電源線外，希望專家給一些好的意見和建議！

A:

除了地要分開隔離外, 也要注意模擬電路部分的電源, 如果跟數(shù)字電路共享電源, 好要加濾波線路。 另外, 數(shù)字信號和模擬信號不要有交錯, 尤其不要跨過分割地的地方(moat)。

Q:

在實際布線中，很多理論是相互沖突的；例如： 1。處理多個模/數(shù)地的接法：理論上是應該相互隔離的，但在實際的小型化、高密度布線中，由于空間的局限或者絕對的隔離會導致小信號模擬地走線過長，很難實現(xiàn)理論的接法。我的做法是：將模/數(shù)功能模塊的地分割成一個完整的孤島，該功能模塊的模/數(shù)地都連接在這一個孤島上。再通過溝道讓孤島和“大”地連接。不知這種做法是否正確？ 2。理論上晶振與CPU的連線應該盡量短，由于結構布局的原因，晶振與CPU的連線比較長、比較細，因此受到了干擾，工作不穩(wěn)定，這時如何從布線解決這個問題？諸如此類的問題還有很多，尤其是高速PCB布線中考慮EMC、EMI問題，有很多沖突，很是頭痛，請問如何解決這些沖突？多謝！

A:

1. 基本上, 將模/數(shù)地分割隔離是對的。 要注意的是信號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, 必須滿足loop gain與phase的規(guī)范, 而這模擬信號的振蕩規(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, 地平面上的噪聲也會影響正反饋振蕩電路。 所以, 一定要將晶振和芯片的距離進可能靠近。

3. 確實高速布線與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, 不能造成信號的一些電氣特性不符合規(guī)范。 所以, 好先用安排走線和PCB疊層的技巧來解決或減少EMI的問題, 如高速信號走內(nèi)層。 后才用電阻電容或ferrite bead的方式, 以降低對信號的傷害。

Q:

在pcb上靠近平行走高速差分信號線對的時候，在阻抗匹配的情況下，由于兩線的相互耦合，會帶來很多好處。但是有觀點認為這樣會增大信號的衰減，影響傳輸距離。是不是這樣，為什么？我在一些大公司的評估板上看到高速布線有的盡量靠近且平行，而有的卻有意的使兩線距離忽遠忽近，我不懂那一種效果更好。我的信號1GHz以上，阻抗為50歐姆。在用軟件計算時，差分線對也是以50歐姆來計算嗎？還是以100歐姆來算？接收端差分線對之間可否加一匹配電阻？謝謝！

A:

會使高頻信號能量衰減的原因一是導體本身的電阻特性(conductor loss), 包括集膚效應(skin effect), 另一是介電物質(zhì)的dielectric loss。 這兩種因子在電磁理論分析傳輸線效應(transmission line effect)時, 可看出他們對信號衰減的影響程度。 差分線的耦合是會影響各自的特性阻抗, 變的較小, 根據(jù)分壓原理(voltage divider)這會使信號源送到線上的電壓小一點。 至于, 因耦合而使信號衰減的理論分析我并沒有看過, 所以我無法評論。

對差分對的布線方式應該要適當?shù)目拷移叫小?所謂適當?shù)目拷且驗檫@間距會影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設計差分對的重要參數(shù)。 需要平行也是因為要保持差分阻抗的一致性。 若兩線忽遠忽近, 差分阻抗就會不一致, 就會影響信號完整性(signal integrity)及時間延遲(timing delay)。

差分阻抗的計算是 2(Z11 - Z12), 其中, Z11是走線本身的特性阻抗, Z12是兩條差分線間因為耦合而產(chǎn)生的阻抗, 與線距有關。 所以, 要設計差分阻抗為100歐姆時, 走線本身的特性阻抗一定要稍大于50歐姆。 至于要大多少, 可用仿真軟件算出來。

接收端差分線對間的匹配電阻通常會加, 其值應等于差分阻抗的值。 這樣信號品質(zhì)會好些。

歡迎www.mentor.com/icx里面有一些不錯的技術資料。

Q:

在高速設計中，如何解決信號的完整性問題？差分布線方式是如何實現(xiàn)的？對于只有一個輸出端的時鐘信號線，如何實現(xiàn)差分布線？

A:

信號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源的架構和輸出阻抗(output impedance)，走線的特性阻抗，負載端的特性，走線的拓樸(topology)架構等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。

差分對的布線有兩點要注意，一是兩條線的長度要盡量一樣長，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實現(xiàn)的方式較多。

要用差分布線一定是信號源和接收端也都是差分信號才有意義。所以對只有一個輸出端的時鐘信號是無法使用差分布線的。