当今对于系统的设计来说，最重要的因素就是速度。我们通常采用的是66MHz-200MHz的处理器，233MHz和266MHz处理器的应用也越来越广泛。

    提出高速要求的原因有两个：一、要求系统在人们认为适合的时间帧中完成复杂的任务。比如说，即使是最基本的计算机动画制作也需要通过处理大量的信息才能够完成。二、元件厂商能够生产出高速器件。目前，可编程阵列逻辑(PAL)器件可提供的传输延迟是4.5 ns，而复杂的PLD(如MAcH)的传输延迟是5ns，这似乎是快速的，但并不是传输延迟造成的，其实快速的传输延迟是由快速的边沿速率获得的。将来会出现速度更快的器件，可以提供相对更快速的边沿速率。

    高速系统的设计不仅需要借助快速的元件，而且需要精心的设计。器件的模拟部分和数字部分同等重要。高速系统存在的主要问题是噪音的产生，高频能够辐射并造成干扰，相应的快速边沿速率可能会产生振荡、反射和串扰现象，如果不能及时检查出来，这种噪音可能会大大地降低系统的性能。

    本文对利用Pc板布局实现高速系统的设计进行了概述，主要内容包括：

    电源分布系统及其对供膳寄宿处产生的影响；传输线路以及相关的设计规则；夺串扰的产生和消除；夺申磁干扰

    1．电源分布电源分布

    网络是高速电路板设计中最重要的考虑因素。无噪音的电路板必需无噪音的电源分布网络。注意，设计无噪声的vcc和无噪声的地一样重要。本文主要论述的是Ac用途，因此Vcc就是地。

    电源分布网络还必须为电路板上所有信号提供返回路径。由于返回路径的作用在低频时不很明显，所以常常被忽视，而许多设计即使在返回路径的特性被忽视的情况下也能运行。

    1．1．电源分布网络作为电源

    1．1．1．阻抗的作用

    假设有一块带有数字Ic和+5.Ov电源的电路板，规格为5nx 5n，目的是将+5.Ov电压正确地传递到电路板上每个器件的电源引脚，而不用考虑器件相对于电源的位置。另外，引脚处的电压是不受线路噪音影响的。

    具有这些特征的电源示意地表示为理想的电压源(见图1a)，其阻抗为零，这可以保证负载和源电压相等，也意味着噪音信号会被吸收，原因是噪音发生器的源阻抗是有限的。遗憾的是，这只是一种理想的情况。

    图1b举例说明了真实电源的情况，它有电阻、电感和电容形式的阻抗，分布在电源分布网络。噪音信号可能会因为网络中的阻抗而影响电压的增加。

    设计的目标是要尽可能减小电源分布网络的阻抗，具体可通过电源总线和电源层两种方案来实现。虽然电源层的阻抗特性比电源总线好，但是实际考虑时可能更倾向于电源总线方法。

    1．1．2．电源总线与电源层的比较

    图2展示了两种电源分布方案。总线系统(图2a)由一组线迹和系统器件要求的不同电压电平构成，逻辑上通常是+5v和地线，各电压电平要求的线迹数量随系统的不同而变化。电源层系统(图2b)由覆盖了金属的完整层(或者是层段)构成，各电压电平都要求有独立的层，金属中****的间隙是用来放置引脚和信号馈通的。

    早期主要出于费用方面的考虑，主要采用电源总线方案。电源总线与信号线在同一层面上。必须由电源总线为所有器件提供电源，其他的空间用于走信号线，电源总线呈长长的窄带状，因而在相对小的截面积上会产生小的电阻。

    虽然电阻比较小，但非常重要。即使是小电路板，也能容纳20.30个器件。

    假如20个器件的电路板上的每个器件吸收200mA的电流，那么总电流将是4A，0.125Ω的总线电阻将产生0.5v的电压降，假设电源是5v，则总线上最后一个器件只可能接收4.5v。

    因为电源层填充了整个层，所以****的限制是电路板的大小。电源层的电阻对于提供相同器件数量的电源总线上的电阻来说，只是很小的一部分，因此与电源总线比较起来，电源层更可能为所有器件提供全部的能量。

    在电源总线方案中，电流被限制在由总线定义的路径上。高速器件产生的线路噪音会影响电源总线上的其它器件。在图2a所示的电路板上，u9产生的噪音通过总线传至U7。 而在电源层方案中，由于电流路径不受限制，因此噪音电流是分布式的，再加之阻抗较低，使电源层受噪音的影响比电源总线小。

    1．1．3．线路噪音的滤波电源层

    单独无法消除线路噪音，既然所有的系统都会遇到噪音问题，那么不管采用何种电源分布方案，都需要借助旁路电容来进行滤波。通常情况下，1 uF～10 u F电容放置在电路板的电源输入上，而0.01 u F～0. 1 u F电容则放置在电路板的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上。

    这里旁路电容充当的是滤波器的角色。大电容(一10u F)放置在电路板的电源输入上，用以滤波通常由电路板外产生的较低频信号(比如60H7线路频率)。电路扳上有源器件产生的噪音谐波范围在100MHz以上。每个芯片上放置的旁路电容(O.1 u F)通常比电路板间的电容小得多。既然目标是要滤除电源上所有Ac成分，似乎电容越大越好，这样可以降低阻抗，但实际上电容并不具有理想特性。图3a是理想电容的例子，图3b是现实电容的例子。电容所需的焊盘及引线会产生电阻和电感，因为这些寄生元件与电容串联在一起，所以把它们叫做等效串联电阻(EsR)和等效串联电感(EsL)。

因此电容就是一个串联谐振电路，举例说明，用于连接电路板．电源的10 u F电容通常是由绝缘材料隔离的金属箔卷制成的(见图5)，这样就会产生大的EsL和大的EsR。正因为有大的EsL，fR一般小于1MHz，所以它们是消除60Hz噪声****的滤波器，但不能有效地消除期望的100MH7甚至更高的交换噪声。图5．大电容(容值≥u F)的内部结构

EsL和EsR源于采用的电容和电介质材料的结构，而不是电容值。通过将电容替换成同类型的大电容也无法改善高频阻性能。当大电容的频率低于小电容的fR时，大电容的阻抗就比小电容的小，而当频率高于小电容的fR时，则两个电容的阻抗没有差异(图4b)。这是因为只有电容量发生了变化，EsL基本保持不变，除非电容结构有所变化。若要提高高频滤波的能力，就必须选用较小EsL类型的电容替代原来的电容。电容类型根据特定的频率和应用的不同而变化，表1提供了一些器件类型的信息。最小EsL电容通常是用非铁磁材料制成的，具有小电压．电容乘积，因此要想借助具有实际击穿电压的大电容来防止出现电路板故障是非常困难的。然而由于滤波性能好，所以不一定需要大数值电容。图6将cOG(非铁磁的)类型的O.01 u F电容与其它类型的O.1 u F电容作了比较，证明O.01 u F电容在高频时具有良好的滤波性能。

    电容图说明任何一种电容的有效频率操作范围都是有限的，系统不仅有高频噪音，而且还有低频噪音，我们希望能扩展这个范围，具体可通过将大电容、小EsL器件与较小电容、极小EsL器件并联来实现。图7表明这种方法可以大大扩展有效的滤波频率范围。

    1．1．4．旁路电容的布局选择

    滤波电容之后，就必须将它们放置在电路板上。图8a展示了电路板上低速器件的标准放置。电容靠近器件的顶端放置以确保接通度，这种布局非常简单，但在高频应用下性能不佳。

    注意，Vcc电容连接非常近似于芯片的vcc连接，而接地连接则大不一样。因为电源层的噪音不是单一的，所以电容不能滤除芯片引线处的噪音，只能滤除芯片附近的噪音。

    确保芯片和电容在同一点上与Vcc和地层接触，以提高性能。因为电容与芯片不一样大小，所以Vcc和地层接点与电容之间有必要运行两条线迹，如图8b所示。“引线延伸”应当尽可能短地放置在非电源层上，通常情况下，电容****放置在电路板的另一面，芯片的正下方，表面贴片电容在这里可以很好地工作。

    值得注意的是，电容与电源引脚之间的“引线延伸”线迹应当占有的空间可能会影响信号线的布线，然而这时过多的考虑信号线的布线可能会影响以后的减噪工作。

    对于具有多个Vcc和接地引脚的器件来说，如何得到****的旁路效果，取决于器件本身，特别是器件内部的电源引脚是否相连。如果电源引脚已经在器件内部相连了，则只需要在一个电源脚到一个接地引脚间进行旁路即可。如果内部的电源引脚没有任何连接，那么独立的Vcc引脚必须单独去耦。通常****与器件厂商取得联系，获得有关的帮助信息。

    1．2．电源分布

    网络作为信号返回路径电源网络能够为系统中的所有信号提供返回路径，不论它们是在电路板上还是电路板外生成的，设计好合理的返回路径，可以解决多种高速噪音问题。

    1．2．1．信号返回线路的自然路径

    信号交换边沿生成的能量是高速设计中最重要的问题。每当信号交换时，就会生成Ac电流，电流需要有闭合的环路，如图9a和9h所示，地端和Vcc提供了完成环路所需的返回路径，图9c示意了这种环路。

图9．电路板上信号的电流环路a)通过vcc；b)通过地；c)相当的Ac路径电流环路中的电感可以当作单圈线圈，它们可能会使振荡、串扰和辐射等问题更加恶化。

    电流环路电感及其相关的问题会随环路的变大而增加，因此****限度地减小环路的大小可以使出现问题的可能性降到****。

    Ac返回信号可以在整个层上选择路径，它们选择最小阻抗的路径(不一定是电阻最小)，阻抗也包括电感和电容，金属的阻值很小，因此阻抗主要是电感。因为阻抗随电感的增大而增大，所以最小阻抗路径就是最小电感路径。

    假如由A到B的信号线路选择了任意路径，那么自然返回路径就不一定是一条直线，这是由最小电阻决定的。如图10所示，信号线路电感和返回线路的增加与两个路径的分离有关。最小阻抗路径就是使信号返回线路靠近信号线路的路径，这样，信号返回尽可能地靠近信号线路，因此产生最小的环路。在多层板中，“尽可能近”通常指信号线迹上下的地层或Vcc层；两层板中是指最近的地或Vcc线迹。

    1．2．2．总线与信号返回路径平面的对比

    图2a表明电源总线具有固定的路径，不论它是否是****路径，返回信号总是沿这条路径走。如果信号线路不放置在电源总线附近以减小环路面积，那么就可能出现大环路。如果没有仔细考虑采用电源分布总线方案的电路板布局，则这种方案可能会产生大的噪音。

    电源层对电流没有任何限制，因此返回信号可以选择最小阻抗路径，它最接近信号线路，电流环路也最小，是高速系统的****方案。

    虽然电源层比总线更占有优势，但设计者可证明它是有缺陷的。返回信号的自然路径若有任何中断，将迫使路径绕过断开处，从而增加了环路的面积(见图11)。因此一定要注意地层和电源层上的切口问题。

    1．3．布局规则及电源分布

    考虑下列的布局规则有助于您利用电源层的优势，避免出现失误。a．注意通孔电源层的切口容易出现在通孔或者过孔处，信号线穿过电路板面并且将元件、连接器与

电路板连接时，肯定会有切口。它们的周围是小的间隙，此处的电源层被蚀刻，以避免信号线路出现短路。如果通孔是闭合的且蚀刻比较大，则可能形成势垒阻挡返回路径，这可能会出现在背板连接器和器件插座上。

    例如，vMB背板上的连接器。此连接器有104个引脚，通孔可能会阻碍信号的返回，所有的返回信号被迫传送到电路板的边缘，这样不仅加长了环路，而且所有的返回信号都共享相同的边缘，导致了串扰的发生(见图12)。

    图12．由于通孔原因造成信号的返回选择共同的路径b．充足的地线电缆引出电路板的电缆也应当考虑电流环路问题。每个信号都应是两线对，一条传送信号，另一条供给返回信号。这两条线应当彼此靠近以减小环路。图13a和13b示意了较差的配置，而图13c示意了正确的配置。

    c．  模拟电源层与数字电源层的分离高速模拟器件对数字噪音比较敏感，比如说，放大器可以放大交换噪音，使它更象是尖峰信号，因此在兼具模拟和数字功能的电路板上，电源层通常是分离的，各层在电源处连接在一起，这样会给使用两种类型信号的器件(如DAc或者电压比较电路)带来问题。信号线路必须穿过层边界，边界迫使返回路径在返回到驱动器以前先到达电源。解决方法是在信号经过的地层上放置跳线(见图14)，它可以为返回的信号提供跨越断线的电桥，这样有助于减小电流环路。图14．为信号返回路径在模拟电源层和数字电源层之间搭接的跳线d  避免独立层的重叠， 当使用分离的电源层时，务必注意不要将数字电路的电源层和模拟电路的电源层重叠在一起。模拟和数字电源层的分离用于隔离彼此之间的电流，一旦出现电源层的重叠，就将造成电容的耦合，从而失去隔离的作用。为了确保电源层的分离，可以在电路板的独立层之间进行截割，然后检查暴露的电路板

边缘，除非特别设计使线迹或连接跨越边界，否则应当看不到金属的痕迹。e．  隔离敏感元件 有些器件，比如锁相环路，尤其对噪音干扰非常敏感，它们有较高的隔离要求。 通过蚀刻电源层上器件周围的马蹄形部分，可以获得良好的隔离效果(见图15)。器件所用的信号都通过马蹄形末端的狭窄间隙进出，电源层上的噪音电流必须经过间隙，这样就不会靠近敏感部件。采用这种方法时，要确保其它的信号被路由远离隔离区，否则由这些线路生成的噪音信号可能会造成此方法所极力避免的干扰。电源总线靠近信号线路放置有时，设计者不得不使用两层板，使用电源总线来替代电源层。即使遇到这种情况，也可以通过将总线尽可能靠近信号线路放置来控制环路的面积。接地总线会跟着电路板另一面的最敏感信号走(见图16)，信号环路与使用电源层时一样。

    2．把信号线当作传输线看待

    返回信号选择最小阻抗路径有助于控制信号线路与Ac接地的关系，而且信号线路保持

恒定的阻抗，这类信号线路称为受控阻抗线路，为电路板的信号传输提供了****的媒介。当信号延迟远远大于重要的转换时间时，信号线路就必须作为传输线路来看待。传输线路端接不正确，易于产生反射，使信号失真。线路负载端的信号好象在振荡，降低了系统的运行速度(见图17)，还可能导致假同步，破坏系统的功能性。

    图18模拟了受控阻抗信号线路，从图上看，电感和电容平均分布在线路上，他们的单位分别是每单位长度亨利和每单位长度法拉。

    从图中可以得到两个重要的参数：阻抗(z0)和传播延迟(tPD)。在无损的信号线路中，，是Ac电阻，也就是说z。相对于驱动器是一个纯电阻，单位是欧姆(Ω)。在下列公式中，L0表示信号线路电感，单位是亨；c0表示信号线路电容，单位是法拉。传输线路的类别对于印刷电路板的设计来说，信号线路只可能有两种类型：带状线和微带(见图19)。

    带状线放置在两个电源层之间，由于信号线路得到了屏蔽，因此从理论上讲，这种方法可以提供最清的信号，但线路是隐藏的，因此不易接入信号线路。微带放置在外层，它的一面是地层，易于接入信号线路。    e。是电路板材料的相对电介质常数，材料通常采用环氧片状玻璃纤维，e。平均值是5。

实例

    对于线迹和电路板的尺寸有某些具体的规定。通常厂商会销售有1 oz铜线的电路板，

因此金属的厚度约有1 mll，而线迹的宽度应是8～15 mll。小于8 mll的信号线路较难控制，

而大于15 mll的信号线路易于产生过大的电容，一般选用10 mll值。层的分离取决于所选

的电路板厚度和层数，对于此例，30 mil就比较合适。

    依据上面的叙述，可以计算出典型信号线路的相关参数，假设宽度=10 mil，厚度=1 mil，

间隔=30 mil，er=5，则推导出

    2．1．分布式负载的计算

    信号线路在线迹的末端有集总负载时(见图20)，采用上面的计算方法。如果信号线路

上的负载是分布式的(见图21)，则负载器件的电容也是分布式的，它增大了线路的电容量，

这样就改变了信号线路的z。和tPD参数，新的参数cL由基于增加电容的原始值得到，单位

是每单位长度法拉：图20．带有集总负载的传输线路分布式负载常见于存储器组中，这类器件的输入电容范围在4 pF到12 pF之间，下例选用了5 pF。存储器器件的物理尺寸通常规定为每英寸可放置两个器件，分布式附加电容的计算公式是：

    反射电源产生的信号能量由z0Ω决定，即使将线路看作为电阻，信号线路也不会耗散能量。

    如图20所示，信号能量是由负载阻抗(ZL)耗散的。

    电源到负载的****能量转换要求负载阻抗等于源阻抗。若要将完整的信号转换成ZL，就必须使zL等于z0，如果两个值不相等，某些信号能量就会耗散，保留下来的将反射回电源，这样源发生器输出就要补偿“新”负载。

    负载端信号的波形可以看作是原始产生的信号和由负载反射回的信号的叠加，波形的变化取决于两个因素：一、负载与线路阻抗的失配；二、信号转换时间(tR)与线路传播延迟(t)的比率，即tR／t。如果转换时间大大超过线路的传播延迟，那么只要原始信号发生很小的变化，就会反射回电源。源发生器将补偿“新”负载，并传输几乎没有信号干扰的正确信号，负载端有小小的信号过冲。

    如果信号变化之后，线路的传播延迟很长足以反射回电源，那么发生器必须作相应的变化以补偿负载，负载反射新的转换，导致振荡，如图17所示。

过冲量通常与信号线路的长度成比例地变化，直到信号线路的延迟等于转换时间。从这点可以看出，过冲可以与原始转换一样多，并双倍于转换变动。

足够长的信号线路同传输线路一样会产生明显的反射，信号线路与传输线路的相似是由容许失真数决定的。经验法则认为原始信号的转换时间小于信号传播延迟的4倍时，信号线路作为传输线路看待(见图22)。即：tr/t≥4。

    更保守的规则是当tr/t小于传播延迟的8倍时，将信号线路看作传输线路。通常情况下，转换时间相对于信号线路的传播延迟越大，合成的信号就越清洁。

    由此可以判断何种长度的微带线路必须作为传输线路。器件的tR在5 ns(尤指采用双极技术的器件)到1 ns(尤指较新的双极和cM0s器件)之间变化。表2列出了适用于上例的上升时间和相关的信号线路长度。

    对于转换时间为5ns的老器件来说，信号线路短于8.6”的不作为传输线路处理，而对于较新的高速器件来说，即使是两英寸的线路也看作传输线路。实际上，具有高速器件的电路板上的所有信号线路都是传输线路。

    如果上例中的传输线路有分布式负载，则必须重新考虑传输线路的最小长度。如图3所示，tR=5ns时，4英寸的线路是传输线路，而tR=1ns时，短于1英寸的信号线路也是传输线路。

假定信号线路被认定为传输线路，反射信号的大小取决于Z0和zL的差值。数字百分比标志或反射的原始信号被叫做反射系数(KR)，公式如下：

    对于开负载和短负载来说，整个信号的反射没有任何衰减。短负载时的反射系数是个负数，这表示反射的信号是由原始信号转化来的。

    对于印刷电路板来说，所期望的失配类型是可以估测的。Z(1的范围通常在30Ω到150Ω之间，输入阻抗的范围在10 kw(双极器件)到100kw(cM0s器件)之间，输出阻抗极低。比如PALcEl6v8这样的cM0sPAL器件有0 2v的典型输出低电压，电流是24mA，电阻大约是8Ω，输出高阻抗大约是50Ω，接近于期望的Z0值。

    下面论述cM0s器件作为微带线路的负载时高电压向低电压的转换。

    驱动器的输出阻抗(zs)是：

    从输出的I／v曲线可以得出更准确的数据。负载的输入阻抗大于100kΩ，远远大于z0值(67Ω)，负载的KR实际等于1，而源的KR是：

    驱动器生成的信号在3 5V与0 2V之间转换，由于驱动器的输出阻抗和z。构成了分压器，因此生成的信号是：

    源端合成的信号是：vs=3.5 V-△v=3.5-V-2.84v=0.066v信号到达负载后，Vl由原来的传输电压降低了2.84v，反射后又降低2.84v，初始的Vl是3 5v，而现在只有一2 19v。

    一开始，Vs=0.66v，反射的信号返回源端。每个源KR反射一部分信号，vs等于原始信号、反射信号与第二次反射信号之和。第二次反射等于：vR=一0.78*一2.84=2.21v，Vs=0.66 V-2.84V+2.21V=一0.035V第二次反射回负载，当信号达到时，U=-2.19+2.21+2.21=2.24，信号继续以这种方式前后跳动，每跳动一次，电压就变小一次。如图23所示，左边和右边的线分别代表源电压和负载电压，成角的线表示传输信号和反射信号的数值。