高速電路PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐課件

1、高速電路PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐 學(xué)習(xí)高速電路PCB設(shè)計(jì)的必要性 高速電路設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) PCB簡(jiǎn)介 PCB EDA 軟件簡(jiǎn)介 PCB設(shè)計(jì)流程課程時(shí)間：（周一至周五）8：00 11：00；14：00 17：00高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 高速與低速的區(qū)別？ 什么是高速電路？ 高速電路與高頻電路的區(qū)別？ 傳輸線理論高速數(shù)字電路簡(jiǎn)介 高速數(shù)字信號(hào)由信號(hào)的邊沿速度決定，一般認(rèn)為上升時(shí)間小于4倍信號(hào)傳輸延遲時(shí)，可視為高速信號(hào)。平常講的高頻信號(hào)是針對(duì)信號(hào)時(shí)鐘頻率而言的。設(shè)計(jì)開發(fā)高速電路應(yīng)具備信號(hào)分析、傳輸線、信號(hào)分析、傳輸線、模擬電路模擬電路的知識(shí) rT5 . 0Fknee頻率 vs. 信號(hào)沿即信號(hào)的時(shí)鐘頻率Fclo

2、ck vs. 信號(hào)的有效頻率FkneeTr信號(hào)的上升時(shí)間drTT41電信號(hào)傳播 電信號(hào)在真空中的傳播速度大約是30萬(wàn)公里每秒，即31010 cm/s(表示冪運(yùn)算)，亦即約11800 mil/ns. 在其他介質(zhì)中，假設(shè)相對(duì)介電常數(shù)為Er，則傳播速度約為：11800Er0.5 mil/ns 一般PCB板FR4材料的介電常數(shù)是4左右，所以，電信號(hào)在其中的傳播速度大約是11800/(40.5) = 5900 mil/ns 信號(hào)在沿著傳輸線傳輸時(shí)，是以電磁波的形式傳輸?shù)?。電磁波包含時(shí)變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。 l = 5.6in.10-in. trace+-V(t)0 in.10 in.1-in.trace+-V

3、(t)0ns1ns2ns3ns4ns0ns1ns2ns3ns4ns分布參數(shù)線上每一點(diǎn)電壓不同集總參數(shù)線上所有點(diǎn)電壓相同0ns1234TimeV(t)t10-90= 1ns假設(shè)一種脈沖信號(hào)的上升沿大約是1.0ns（有效頻率0.5GHz），它在FR-4的印刷電路板中沿內(nèi)層走線傳輸有5.6in.長(zhǎng)，這由以下公式可算得： drTtl 上升時(shí)間單位時(shí)延上升沿長(zhǎng)度drTtLEN61取Td=180ps/inch得L= 5.6 inch高速數(shù)字電路簡(jiǎn)介四種常見傳輸線同軸電纜雙絞線微帶線帶狀線外層介質(zhì)外層屏蔽內(nèi)層介質(zhì)內(nèi)層導(dǎo)體傳導(dǎo)層介質(zhì)接地層介質(zhì)第一導(dǎo)體介質(zhì)第二導(dǎo)體接地層介質(zhì)傳導(dǎo)層接地層PCB中的傳輸線電視天線電

4、話線、網(wǎng)線PCB簡(jiǎn)介頂層（第一層），信號(hào)層，微帶傳輸線第二層，平面層第三層，信號(hào)層，帶狀傳輸線第四層，信號(hào)層，帶狀傳輸線第五層，平面層底層（第六層），信號(hào)層，微帶傳輸線絕緣介質(zhì)rPCB板中的傳輸線分析相對(duì)介電常數(shù)r 我們常用的PCB介質(zhì)是FR4材料的，相對(duì)空氣的介電常數(shù)是4.2-4.7。這個(gè)介電常數(shù)是會(huì)隨溫度變化的，在0-70度的溫度范圍內(nèi)，其最大變化范圍可以達(dá)到20%。介電常數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致線路延時(shí)10%的變化，溫度越高，延時(shí)越大。介電常數(shù)還會(huì)隨信號(hào)頻率變化，頻率越高介電常數(shù)越小。100M以下可以用4.5計(jì)算板間電容以及延時(shí) 一般的FR4材料的PCB板中內(nèi)層信號(hào)的傳輸速度為180ps/inch

5、 。表層一般要視情況而定，一般介于140與170之間 。微帶線 Microstrip 1 foot = 12 inch1 inch = 2.54 cm1 inch = 1000 mils1英寸 = 1000密耳1oz = 1.44 mils1盎司=1.44密耳原：1oz = 31.1g 克在PCB板上，一平方英寸的銅箔，厚度為1.44mils時(shí)，質(zhì)量為1oz。54)5 . 1 (1 . 2,6,1 . 5, 3 . 40ZozCumiltmilwmilhr電介質(zhì)htw信號(hào)層平面層r信號(hào)線(微帶傳輸線) .67. 0475. 0858 . 098. 5ln41. 1870inpsttwhZrpd

6、r0微帶線 Microstrip微帶線 Microstrip帶狀線 Stripline1 foot = 12 inch1 inch = 2.54 cm1 inch = 1000 mils1英寸 = 1000密耳1oz = 1.44 mils1盎司=1.44密耳帶狀線 Stripline43)1 (44. 1,6,5 .14, 3 . 40ZozCumiltmilwmilhr電介質(zhì)r信號(hào)層平面層平面層hwt信號(hào)線(帶狀傳輸線) .858 . 09 . 1ln600inpsttwhZrpdr帶狀線 StriplinePCB簡(jiǎn)介反射 傳輸線上只要出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的反射現(xiàn)象，如：信號(hào)線的源

7、端和負(fù)載端、過孔、走線分支點(diǎn)、走線的拐點(diǎn)等位置都存在阻抗變化，會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。 通常所說的反射包括負(fù)載端反射和源端反射。負(fù)載端與傳輸線阻抗不匹配時(shí)會(huì)引起負(fù)載端反射，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。源端與傳輸線阻抗不匹配時(shí)會(huì)引起源端反射，由負(fù)載端反射回來的信號(hào)傳到源端時(shí)，源端也將部分電壓再反射回負(fù)載端。反射造成了信號(hào)振鈴現(xiàn)象，如果振鈴的幅度過大，一方面可能造成信號(hào)電平的誤判斷，另一方可能會(huì)對(duì)器件造成損壞。反射ZSZLZ0 001002ZZZZRZZZZRssLL負(fù)載端反射系數(shù)：源端反射系數(shù)：源端阻抗傳輸線阻抗負(fù)載阻抗有正負(fù)反射ZsZLZ0一次反射二次反射三次反射四次反射五次反射)()()(THAx

8、)(A)(xH)(xH)(xH)(xH)(xH)(T)(T)(T)(2R)(2R)(2R)(1R)(1R )()()(122TRHRHAxx )()()(2122TRHRHAxx負(fù)載端最終信號(hào)一次信號(hào)二次信號(hào)三次信號(hào)造成過沖、振鈴反射1消除一次反射:消除二次反射: 02R0ZZL 01R0ZZS改善方法：短線:pdrtTLEN61反射串行端接Z0Rs串行端接匹配的信號(hào)源的阻抗，所插入的串行電阻阻值加上驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗應(yīng)該大于等于傳輸線阻抗（輕微過阻尼），即RS=Z0-R0反射并行端接Z0RT = Z0簡(jiǎn)單并行端接Z0R2戴維寧(Thevenin）并行端接VccR102121ZRRRRRTZ0有

9、源并行端接VBIASRT = Z0簡(jiǎn)單，但要保證足夠大的高電平驅(qū)動(dòng)電流，所以電流消耗大簡(jiǎn)單，但選擇VBIAS要保證驅(qū)動(dòng)源在輸出高低電平時(shí)的汲取能力,比較困難。分壓器型端接，利用上下拉電阻構(gòu)成端接來吸收反射。雖然降低了對(duì)器件驅(qū)動(dòng)能力的要求，但R1和R2一致從系統(tǒng)電源中吸收電流，會(huì)增加系統(tǒng)的直流功耗。反射多負(fù)載端接反射造成反的其它原因過孔走線分支走線拐角反射過孔接地層墊片外徑通孔本體清潔環(huán)12141. 1DDDTC14ln08. 5dhhL反射減小過孔影響從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婵紤]，選擇合理尺寸的過孔大小。比如對(duì)6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計(jì)來說，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好，對(duì)于

10、一些高密度的小尺寸的板子，也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。目前技術(shù)條件下，很難使用更小尺寸的過孔了。對(duì)于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗。上面討論的兩個(gè)公式可以得出，使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。電源和地的管腳要就近打過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗。在信號(hào)換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。 反射走線分支分支點(diǎn)Z0Z0Z0Rt=Z0abcVcRt=

11、Z034V反射V 反射31+1ad開路V二次反射b31反射系數(shù)31分支造成反射現(xiàn)象反射走線拐角一個(gè)布線彎角可以視為一個(gè)分布電容061ZewCrPCB簡(jiǎn)介 PCB的作用 PCB的分類 PCB的發(fā)展趨勢(shì)PCB傳輸線PCB的作用 為元器件提供固定、裝配的機(jī)械支撐 為元器件提供電氣連接與絕緣 為元器件焊接提供阻焊圖形，為元器件插裝、檢查、維修提供識(shí)別字符 PCB（Printed Circuit Board）印刷電路板也稱PWB（Printed Wiring Board）印刷線路板，簡(jiǎn)稱印制板 PCB分類 按層疊結(jié)構(gòu)（Constructor）分 按成品硬度（Hardness）性能分 按孔的導(dǎo)通狀態(tài)分 按

12、材質(zhì)分 按表面制作分 按用途分PCB可分別根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)(constructor)、成品硬度性能(hardness)、孔的導(dǎo)通狀態(tài)、材質(zhì)、表面制作、用途等進(jìn)行分類 按層疊結(jié)構(gòu)分按層疊結(jié)構(gòu)分 單面板、雙面板、多層板（層數(shù)是以銅箔層數(shù)是以銅箔（導(dǎo)電層）的層數(shù)為依據(jù)）單面板單面板：所用的絕緣基板上只有一面是敷銅面，用于制作銅箔導(dǎo)線，而另一面只印上沒有電氣特性的元件型號(hào)和參數(shù)等。按層疊結(jié)構(gòu)分按層疊結(jié)構(gòu)分 單面板、雙面板、多層板（層數(shù)是以銅箔層數(shù)是以銅箔（導(dǎo)電層）的層數(shù)為依據(jù)）雙面板雙面板：在絕緣基板的上、下二面均敷銅層，都可制作銅箔導(dǎo)線，底面和單面板作用相同，而在頂面除了印制元件的型號(hào)和參數(shù)外，和底層一

13、樣可以制作成銅箔導(dǎo)線，元件一般仍安裝在頂層，為了解決頂層和底層相同導(dǎo)線之間的連接關(guān)系，采用金屬化過孔過孔來實(shí)現(xiàn)。按層疊結(jié)構(gòu)分按層疊結(jié)構(gòu)分 單面板、雙面板、多層板（層數(shù)是以銅箔層數(shù)是以銅箔（導(dǎo)電層）的層數(shù)為依據(jù)）多層板多層板：由電氣導(dǎo)電層和絕緣材料層交替粘合而成，成本較高，導(dǎo)電層數(shù)目一般為4、6、8等，且中間層（即內(nèi)電層）一般是連接元件管腳數(shù)目最多的電源和接地網(wǎng)絡(luò)，層間的電氣連接同樣利用層間的金屬化過孔實(shí)現(xiàn)。按成品硬度（Hardness）性能分硬板（Rigid PCB也稱剛性）、軟板（Flexible PCB也撓性印制板）、軟硬板（Rigid-Flex PCB也稱剛撓結(jié)合板）剛性印制板PCB具有

14、一定的機(jī)械強(qiáng)度，用它裝成的部件具有一定的抗彎能力，在使用時(shí)處于平展?fàn)顟B(tài)。一般電子設(shè)備中使用的都是剛性印制板PCB。撓性印制板PCB是以軟層狀塑料或其他軟質(zhì)絕緣材料為基材而制成。它所制成的部件可以彎曲和伸縮，在使用時(shí)可根據(jù)安裝要求將其彎曲。按孔的導(dǎo)通狀態(tài)分616L1L2L5L63L3L48L7L8L9L10L11L126通孔盲孔埋孔按材質(zhì)分a. 有機(jī)材質(zhì)如酚醛樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、Polyimide、BT/Epoxy等。b. 無(wú)機(jī)材質(zhì)如鋁、Copper-invar-copper (CIC)、ceramic等 鋁基板PCB 按用途分：按用途分： 通信/耗用性電子/軍用/計(jì)算機(jī)/半導(dǎo)體/電測(cè)板,

15、BGA等按表面制作分按表面制作分：（solderSurface）Hot Air Level Soldering 噴錫(HASL)Entek/OSP（防氧化）板Carbon Oil 碳油板Peelable Mask 藍(lán)膠板Gold Finger 金手指板Immersion Gold 沉金板Gold Plating 鍍金Immersion Tin 沉錫板Immersion Silver 沉銀板(D2廠）PCB技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)高密度互連技術(shù)(HDI，High Density Inverter )組件埋嵌新型材料光電PCB制造工藝、設(shè)備更新高密度互連技術(shù)(HDI，High Density Inverte

16、r )小型化HDI產(chǎn)品：小型化HDI最初是指成品尺寸和重量的縮減，這是通過自身的布線密度設(shè)計(jì)以及使用新的諸如 uBGAs這樣的高密度器件來實(shí)現(xiàn) ，內(nèi)部互連采用埋孔工藝結(jié)構(gòu)的主要是6層或者8層板。 封裝用的高密度IC基板：高密度基板的HDI板主要集中在4層或6層板，層間以埋孔實(shí)現(xiàn)互連，其中至少兩層有微孔。其目的是滿足倒裝芯片高密度I/O數(shù)增加的需求 。該技術(shù)適用于倒裝芯片或者邦定用基板 高性能產(chǎn)品的高層數(shù)板：高層數(shù)HDI板通常是第1層到第2層或第1層到第3層有激光鉆孔的傳統(tǒng)多層板。該技術(shù)適用于擁有高I/O數(shù)或細(xì)間距元件的高層數(shù)HDI板 組件埋嵌在PCB的內(nèi)層形成半導(dǎo)體器件(稱有源組件)、電子組件

17、(稱無(wú)源組件)或無(wú)源組件 。新型材料無(wú)論是剛性PCB或是撓性PCB材料,隨著全球電子產(chǎn)品無(wú)鉛化,要求必須使這些材料耐熱性更高,因此新型高Tg、熱膨脹系數(shù)小、介質(zhì)常數(shù)小，介質(zhì)損耗角正切優(yōu)良材料不斷涌現(xiàn) 光電PCB光電PCBPCB的發(fā)展趨勢(shì)PCB EDA 軟件簡(jiǎn)介 Cadence Allegro Altium Designer PADS（PowerPCB）、Mentor WG Cadence Allegro組件介紹Front-end PCB design（PCB前端設(shè)計(jì)）Front-end PCB design requires functional conflict resolution and

18、 the unambiguous capture of goals and constraints. Cadence technology supports multiple design approaches for accurate simulations and tradeoffs. PCB前端設(shè)計(jì)（電路原理圖）需要明確設(shè)計(jì)目的、解決功能沖突、設(shè)計(jì)規(guī)則參數(shù)。 Cadence提供多種設(shè)計(jì)仿真分析方法提供多種設(shè)計(jì)仿真分析方法。Cadence Allegro SPB （Silicon Package Board ）FPGA-PCB co-design（FPGA-PCB協(xié)同設(shè)計(jì)）Integrat

19、ing large-pin-count FPGAs with many different types of user-configurable pins and assignment rules extends the time to do pin assignment. Manual pin assignment approaches can extend design cycles and increase the risk of unnecessary PCB re-spins. Cadence replaces manual and error-prone processes wit

20、h two placement-aware technologies that automate pin assignment.FPGA集成了很多不同類型的引腳，電路板設(shè)計(jì)時(shí)，手工分配這些引腳要花很多時(shí)間，且PCB返工的風(fēng)險(xiǎn)極大。Cadence的自動(dòng)分配引腳技術(shù)代替人工繪制，避免人工失誤的自動(dòng)分配引腳技術(shù)代替人工繪制，避免人工失誤。AMS simulation（AMS仿真）Finding problems early with accurate simulations before fabrication saves time and budget. Cadence analog/mixed-

21、signal (AMS) simulators enable accurate modeling, verification, and optimization of designs to reduce risk. 在PCB生產(chǎn)前，精確的仿真能節(jié)約時(shí)間與金錢。 Cadence 的混合信號(hào)仿真軟件能夠通的混合信號(hào)仿真軟件能夠通過精確建模、驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低風(fēng)險(xiǎn)過精確建模、驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低風(fēng)險(xiǎn)。Layout and routing（布局和布線）Shrinking design cycles and a growing number of nets with constraints requi

22、re customers to adopt PCB design methodologies that increase predictability and accelerate design turnaround. Cadence layout and routing technology offers a scalable, easy-to-use, constraint-driven PCB design solution for simple to complex PCBs, including those with RF etch components.為了減少設(shè)計(jì)周期、連線的限制

23、越來越多，要求設(shè)計(jì)者用的PCB設(shè)計(jì)軟件擁有可預(yù)測(cè)性并能加快設(shè)計(jì)周期。 Cadence 布局和布線工具提供可擴(kuò)展、易用、從單層到多層電布局和布線工具提供可擴(kuò)展、易用、從單層到多層電路板、射頻元件制作等印刷電路板約束規(guī)則的設(shè)計(jì)解決方案路板、射頻元件制作等印刷電路板約束規(guī)則的設(shè)計(jì)解決方案。Cadence Allegro SPB （Silicon Package Board ）Signal and power integrity（信號(hào)與電源完整性）Stresses on signal and power integrity grow with every increase in speed, comp

24、lexity, and miniaturization. Cadence technology helps you address everything from simple electrical analysis to multi-board signal simulations in the multi-gigabit range. 電路板的速度越快、功能越多、面積越小，對(duì)信號(hào)與電路的完整必要求越高。Cadence可從簡(jiǎn)單電氣分析到多層電路板信號(hào)完整性分析，進(jìn)行高達(dá)可從簡(jiǎn)單電氣分析到多層電路板信號(hào)完整性分析，進(jìn)行高達(dá)GHz以上的仿真以上的仿真。Library and design dat

25、a management（數(shù)據(jù)管理）Desktop access to current component information and design data is vital to cost-effective, on-time project delivery. The Cadence library and design data management environment provides advanced features for intra-company and design chain collaboration and control.高效、及時(shí)交付項(xiàng)目，需要提供設(shè)計(jì)軟

26、件版本、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。Cadence 的數(shù)據(jù)管理功能的數(shù)據(jù)管理功能便宜公司內(nèi)部設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)管理與協(xié)同合作。便宜公司內(nèi)部設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)管理與協(xié)同合作。Cadence Allegro SPB （Silicon Package Board ）PCB軟件Altium Designer 早期為Protel99、Protel DXP2004。澳大利亞Altium公司出品，界面好看，操作相對(duì)簡(jiǎn)單， 畫封裝，拼版，生產(chǎn)gerber等都挺方便，國(guó)內(nèi)還有很多企業(yè)都還在用Protel 99或DXP 。但覆銅功能差，相對(duì)其它軟件對(duì)電腦配置要求較高，適合中低端（單層、雙層電路板）電路設(shè)計(jì)。PADS（PowerPCB）Mentor W

27、G 即 Mentor Expedition，是Mentor Graphics推出基于Windows界面的PCB 設(shè)計(jì)工具。Mentor WG軟件自帶的有原理圖輸入工具Design Capture，但現(xiàn)在 Mentor 公司推薦的是 Mentor DxDesigner Mentor WG 的組合。Mentor也是高端軟件，國(guó)內(nèi)用的相對(duì)Cadence少即PowerPCB，用的人也是相當(dāng)?shù)亩?，好用，易上手。界面?jiǎn)單，適合于中低端（單層、雙層電路板）設(shè)計(jì) 國(guó)內(nèi)公司使用的EDA工具 Intel： Concept+Allegro+ SpecctraQuestDell： DXD+ Allegro + SQ原理圖也有一部分是 CaptureHuawei：viewdraw+ Allegro + SpecctraQuest+ExpEDAtionZTE： Concept+Allegro+ SpecctraQuest+ExpEDAtionUT：Concept+Allegro、PowerPCB+ SpecctraQuestCsico：Concept+Allegro+ SpecctraQuestHp：Concept+Allegro+ SpecctraQuest 從 Boardstation轉(zhuǎn)成 Alllegro 流程Moto： Con