（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的1ghz时钟电路设计.pdf

硕士学位论文 摘要 大亚湾反应堆中微子实验是一个前期研究中的中微子振荡实验，主要目标是 利用核反应堆产生的电子反中微子来测定一个具有重大物理意义的参数一中微子 混和角0 1 3 。实验通过比较远近探测器的中微子通量和能谱，就可以确定中微子是 否发生了振荡，进而确定振荡参数0 1 3 。经由探测器得到的数据通过光电转换装置 变成电信号，电信号被放大处理后可以推算出粒子的能量信息和位置信息，这些 信息再经过一个高速波形取样电路进行读取。 为了保证各路信号的取样率和幅度分辨率，使所有插件能够达到同步，以便 进行精确的时间定位，高速波形取样电路设计了外部时钟的接入口。时钟源是高 速数据转换系统中最重要的子电路之一，因为时钟信号的定时精度会直接影响 a d c 的动态性能，为了将这种影响最小化，时钟源必须具有很低的时钟抖动或相 位噪声，否则系统的动态性能在很大程度上将不由前端模拟输入或者a d c 的性 能决定。 本文从芯片选择，硬件原理设计，p c b 制板和电路调试等方面对此高速时钟 电路进行了相关的介绍，文章着重介绍了l g h z 时钟的硬件实现以及如何对高速 p c b 进行制板。电路的工作原理是用f p g a 控制时钟合成芯片产生高频时钟，由 于时钟信号的频率较高，设计中使用了l v d s 电平信号输出。考虑到高频时钟信 号的完整性和抗干扰性，在此将p c b 设计为一个四层板。 经过电路调试，证明设计的电路可以实现1g h z 的时钟输出。由于时钟合成 芯片是可以被程控的，它本身有产生更高的时钟频率的潜力，可以在原有的电路 基础上进一步的改进得到更高频率的时钟信号。 关键词：中微子实验；时钟信号；波形取样；时钟合成芯片 i l a b s t r a c t t h ed a y ab a yr e a c t o rn e u t r i n oe x p e r i m e n ti san e u t r i n o o s c l l l a t l o ne x p e n m e n t d e s ig n e dt om e a s u r et h em i x i n ga n 9 1 e0 13u s i n ga n t i n e u t r i n o sp r o d u c e db y t h e r e a c t o r so ft h ed a y ab a yn u c l e a rp o w e rp l a n t c o m p a r i n gn e u t r i n of l u xa n de n e r g y s p e c t r u mo ft h e n e a ra n df a rd e t e c t o r c a ng e ti n f o r m a t i o n t h a tw h e t h e rt h e n e u t r i n o o s c i ：1 1 a t i o ne x p e r i m e n to c c u r r e d ，a n dt h e na s c e r t a i nt h eo s c l l l a t l o np a r a m e t e r 0 l3 t h eo p t i c a ls i g n a lf r o md e t e c t o rc a nb ec h a n g e di n t oe l e c t r i cs i g n a lb ya t r a n s f e r d e v i c e ，a n da m p l i f y i n gt h ee l e c t r i cs i g n a lw i l lc a l c u l a t et h ei n f o r m a t i o no fe n e r g ya n d p o s i t i o na b o u tt h ep a r t i c l e ， 6 n a l l yt h e s ei n f o r m a t i o nc a n b er e a do u tb yh i g hs p e e d w a v e f o r ma c q u i s i t i o nc i r c u i t t h eh i 曲s p e e dw a v e f o r ma c q u i s i t i o nc i r c u i th a s e n s u r et h es a m p l i n gr a t ea n da m p l i t u d er e s 0 1 u t i o n ， a ne x t e r n a lc l o c ki n t e r f a c et o a l lp l u g - i nb o a r ds y n c h r o n o u s w o r k i n ga n dp i n p o i n tt i m i n g c l o c ks o u r c ei sa ni m p o r t a r l ts u b - c i r c u i ti nh i g hs p e e d d a t ac o n v e r s i o ns y s t e m ， b e c a u s et i m i n gp r e c i s i o nw i l ld i r e c t l ye f f e c tt h ed y n a m i c 口e r f o r m a n c eo fa d c f o rt h es a k eo fm i n i m i z i n gt h ee f f e c t ， t h ec l o c kc i r c u i ts h o u l d b ed e s i g n e dw i t hl o wj i t t e ro rl o wp h a s en o i s e ， e l s et h es y s t e md y n a m l cp e r 士o r m a n c e w i l ln o td e p e n do nf r o n t e n da n a l o gi n p u to rt h ep e r f o r m a n c eo f a d c t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h eh i g hs p e e dc i r c u i tf r o m d e v i c e ，h a r d w a r ep r l n c l p l e d e s i g n ，p c bd e s i g na n dc i r c u i td e b u g g i n g ，a n dp u te m p h a s i so nr e a l i z i n g lg h zc l o c k h a r d w a r ed e s i g na n dp c bd e s i g n t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fc i r c u i ti s t h a tu s i n g f p g af o rc o n t r o l l i n gt h ec l o c k s y n t h e s i z e r b e c a u s ei ti sah i g hf r e q u e n c yc l o c k s i g n a l ，t h eo u t p u tu s el v d ss i g n a l c o n s i d e r i n gc o m p l e t e n e s sa n d a n t i i n t e r t e r e n c eo t h i g hf r e q u e n c yc l o c ks i g n a l ， t h ep c bd e s i g n e di n t oaf b u rl a y e r sb o a r d t h ed e b u g g i n gr e s u l tp r o v e d t h a tt h ec i r c u i tc a nr e a l i z e 1g h zc l o c kt o o u t p u t b e c a u s e t h ec l o c k s y n t h e s i z e rc h i pi sp r o g r a m m a b l ea n d i th a st h ep o t e n t i a lo f g e n e r a t i n gt h eh i 曲e r c l o c k ，t h ed e s i g nc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d o0 b a l nh l g h e r f r e q u e n c yc l o c ks i g n a l k e y w o r d s ：n e u t r i n oe x p e r i m e n t ； c l o c k s i g n a l ； w a v e f o r ma c q u i s i t i o n ； c l o c k - s y n t h e s i z e r l i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储虢捧眸 脚睁5 月盐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：跏样 别醛名矽 日期：硇。眸6 肪占日 日期：莎卯孑年f 月z f 日 硕士学位论文 1 1 中微子实验介绍 第一章绪论弟一早珀下匕 中微子研究是当前粒子物理、天体物理和宇宙学研究的前沿热点，近年来中 微子物理研究的一系列重大的成果预示着粒子物理研究的新突破。中微子物理正 处于一个大发展的时期，它对天文学、地质学等其他学科的应用价值正在被越来 越多的人们所认识。中微子共有三种一一电子中微子，“中微子，t 中微子，它们 是组成物质世界的十二种最基本粒子中性质最为特殊，被了解得最少的，它们不 带电荷，几乎不与物质相互作用，但是它们在最微观的粒子物理规律和最宏观的 宇宙的起源及演化中都起着十分重大的作用。 长期以来，人们认为中微子没有质量，而且跟d n a 只有右旋一样，只存在 左旋中微子，从而导致了微观世界的左右不对称，最近的物理研究表明中微子具 有微小的质量。最初所有中微子振荡的实验证据均来源于大自然，因此中微子振 荡在某种程度上依赖于人们对大自然的理解，例如太阳模型、宇宙线在大气中的 簇射过程等，所以从人工中微子源中探测到中微子振荡才是它的最终证明。候选 的人工中微子源有两种：一是加速器，一是反应堆。1 9 9 0 年末期，日本的k e k 实验室用质子靶产生中微子，并于19 9 8 年做了超级神岗实验( s u p e rk a m i o k a n d e ) 以确凿的证据发现中微子存在振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种 中微子，使几年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之迷和大气中微子反常现象得 到了合理的解释l lj 。2 0 0 1 年加拿大萨德伯里中微子天文台( s n o ) 的观测结果和 2 0 0 2 年s n o 与日本k a m l a n d 的实验结果，均证实了中微子可以发生振荡，即 中微子的质量不为零，这在科学上具有重要意义，它要求修改粒子物理的标准模 型，因此中微子物理的进展连续两年被美国的科学周刊等国内外媒体评为当 年的十大科技新闻【2 】。2 0 0 2 年由于在“探测宇宙中微子”上的卓越贡献，美国化 学家戴维斯( r d a v i s ，j r ) 与日本物理学家小柴昌俊( m a s a t o s h i k o s h i b a ) 获得诺贝尔 物理学奖1 3 j 。2 0 0 3 年k 2 k 加速器中微子振荡实验也证实了大气中微子振荡。由于 中微子是最轻的粒子，是所有粒子衰变的最终产物之一，宇宙中积存了大量自大 爆炸开始以来产生的中微子，它们可以构成宇宙中的热暗物质，对宇宙结构的形 成有重大影响。中微子振荡中的c p ( 空间与电荷共轭反演) 破缺可能对理解宇宙中 物质一反物质不对称现象起到关键的作用。 中微子实验是一项国际前沿领域的科学研究课题。美籍华裔科学家丁肇中教 授的太空探测实验致力于寻找暗物质和反物质，中微子实验则相反，其探测结果 有可能验证宇宙大爆炸1 4 0 亿年以来反物质己变成物质，从而有可能解释宇宙中为 基于f p g a 的l g h z 时钟电路设计 什么会不存在反物质【4 1 。中微子实验按照原理划分，可以分为a p p e a r a n c e 实验( 在 距离中微子源的某处发现中微子源没有的其他类型中微子) 和d i s a p p e a r a n c e ( 距离 中微子源的某处发现中微子数目比中微子源的中微子数目少) 【5 1 。按照中微子源的 不同可以分为太阳中微子实验，大气中微子实验，加速器中微子实验和反应堆中 微子实验。 太阳中微子实验是利用太阳内部的核聚变p p 链式反应和c n o 循环，产生不同 能量的中微子。太阳中微子实验结果和理论预言的太阳标准模型相比，实验测得 的事例数比语言的事例数要少【6 】。 大气中微子实验中的中微子是由高能宇宙线撞击地球大气层时产生的。当宇 宙线中质子或核子与地球大气层中的核子碰撞时，由于相互作用而导致很强的大 气簇射。大气簇射包含很多k 介子和7 c 介子，这些k 介子和兀介子随后发生衰变得到 p 子和中微子，p 子继续衰变可以得到中微子和负电子。 加速器中微子反应主要原理是利用闪烁体荧光效应和契伦可夫辐射效应，用 表明覆盖了光电倍增管的探测器来测试中微子振荡的得到的粒子。 反应堆实验采用反应堆作为中微子源产生中微子。它是在1 9 8 0 年初开始的， 已经进行了好几代。自i l l 实验开始发展至我们所熟知的两个重要的反应堆实验 有c h o o z ，p a l ov e r d e 实验，它们的实验探测原理与方法都基本相似，只是探测 的靶由水换成了液体闪烁体，由于事例率与距离的平方成反比，与靶核数成正比， 探测器与反应堆的距离也由原来的l0 米增至10 0 0 米，重量也由10 0 公斤增至10 吨。 实验的方法是观测反应堆由裂变过程所产生的电子反中微子数目，并与预期的中 微子数比较，如果发现中微子消失现象，则说明反应堆产生的电子反中微子发生 了振荡，变成了另外一种中微子而没有被探测到【7 1 。由于过去2 0 年的不懈努力， 人们对反应堆所产生的电子反中微子谱了解得很清楚，理论计算与实验比较只有 3 的误差。对于这类中微子实验，核电站无疑是最佳的实验场所，因为核电站在 运用核能发电的同时，可以产生大量的中微子，位于日本前k a m i o k a n d e 实验位置 的k a m l a n d 实验可以测量周围l8 0 千米开外的日本和南韩2 0 多个核电站反应堆 的中微子，这些核电站的发电量占全世界核电站的1 5 左右，有完全独立于上面几 个太阳中微子实验的信息【8 】【9 1 。 中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混 和。中微子的产生和探测都是通过弱相互作用，而传播则是由质量本征态决定， 由于存在混和，产生时的弱作用本征态不是质量本征态，而是三种质量本征态的 叠加。三种质量本征态按不同的物质波频率传播，因此在不同的距离上观察中微 子，会呈现不同的弱作用本征态成分，当用弱作用去探测中微子时，就会看到不 同的中微子。图1 1 所示为中微子振荡示意图，一个电子中微子具有三种质量本征 态成份，传播一段距离后变成电子中微子，缪中微子，陶中微子的叠加【1 0 】。 2 硕士学位论文 k = 卜k p + k 蓬坝m a m a 觥 j 管 2 5 1o 3 e v 2 下) ，由法国的c h o o z 反应堆中微子实验给出【1 1 1 ，如表1 1 所示。 表1 1 反应堆中微子实验数据 实验名称质量平方差相位角混合角参数 大气中微子振荡 l m 2 3 2 i = 2 4 1 0 。3e v 2 s i n 2 2 0 2 3 = 1 o 太阳中微子振荡 m 2 2 1 - 7 9 1 0 5e v 2t a n 2 0 1 2 = o 4 反应堆长基线中微子振荡6 c p 未知s i n 2 2 0 1 3 i要e c # i v 崩l i 盹岫歪 陋藏驴物鼬训i 图3 5l v d s 输出的终端匹配电路图 3 3p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 板的设计 一般来说电路板的设计最基本的过程可以分为4 个主要的步骤： 1 ，电路原理图的设计：利用e d a 软件的原理图设计系统来绘制一张电路原 理图。在本设计中，我们所选用的设计软件是p r o t e l 9 9 s e ，它所带的原理图设计 系统是a d v a n c e ds c h e m a t i c ，可以生成的原理图文件是s c h 文件。 2 ，生成网络表：网络表是电路原理图设计( s c h ) 与印制电路板( p c b ) 之间的 一座桥梁。网络表可以从电路原理图中获得，也可以从印制电路板中提取。 3 ，印制电路板的设计：印制电路板的设计主要是针对p r o t e l 9 9 s e 的另外一 个重要部分p c b 而言的，在这个过程中，借助于p r o t e l 9 9 s e 提供的强大功能实现 电路板的版面设计，来完成元器件的布局布线等工作。 4 ，生成印制电路板报表：设计了印制电路板之后，还需要生成印制电路板的 有关报表，并打印印制电路图。 硕士学位论文 本文中电路板的设计也是遵循了上面的步骤首先是编辑电路原理图，然后由 电路原理图文件产生网络表，最后再根据网络表进行电路板的布线工作。本设计 中电路原理图已附在附录b 中，下面主要介绍下印制电路板的设计。 3 3 1p c b 设计中的基本概念 l ，一般来说印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板三种。 单面板是一种一面有敷铜，另一面没有敷铜的电路板，用户只可以在敷铜的 一面布线放置元，单面板由于成本低，不用增加过孔而被广泛应用，但是由于单 面板的布线只能在一面上进行，因此它的设计往往比双面板和多层板困难得多； 双面板包括项层( t 0 pl a y e r ) 和底层( b o t t o ml a y e r ) 两层，顶层一般为元件面，底层 一般为焊锡层面，双面板的双面都有敷铜，都可以布线，双面板的电路一般比单 面板的电路复杂，但布线比较容易，是制作电路板比较理想的选择；多层板就是 包含了多个工作层的电路板，除了上面讲到的顶层和底层外，还包括中间层、内 部电源层和地层等等，随着电子技术的高速发展，电子产品越来越精密，电路板 也就越来越复杂，多层板的应用也越来越广泛。 2 ，层( l a y e r ) 与字处理或其他许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层” 的概念有所相同，p r o t e l 的“层”不是虚拟的，而是印制板材料本身实实在在的各 铜箔层。现今，由于电子线路的元件密集安装。防干扰和布线等特殊要求，一些 较新的电子产品中所用的印制板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被 特殊加工的夹层铜箔，例如，现在的计算机主板所用的印制板材料多在4 层以上。 这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层( 如软件中的 g r o u n dd e v e r 和p o w e rd e v e r ) ，并常用大面积填充的办法来布线( 如软件中的 e x t e r n a ip 1 a 1 1 e 和f i l l ) 。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中 提到的所谓“过孔( v i a ) ”来沟通。有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和 “布线层设置 的有关概念了。在此值得注意的是，一旦选定了所用印制板的层 数，务必关闭那些未被使用的层，免得走弯路。 3 ，铜膜导线 铜膜导线也成为铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是印制电路板最 重要的组成部分。印制电路板设计都是围绕着如何布置导线来进行的。 与印制导线有关的另外一种线，称为飞线，即预拉线，飞线是在引入网络表 之后，系统根据规则生成的，用来指导布线的一种连线。 飞线与导线有本质的区别，飞线只是一种形式上的连线，它只是在形式上表 示出各个焊盘问的连接关系，没有电气意义，导线则是根据飞线指示的焊盘问的 基于f p g a 的1 g h z 时钟电路设计 关系而布置的，是具有电气连接意义的连接线路。 4 ，过孔( v i a ) 为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔， 这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用 以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直 接与上下两面的线路相通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以 下原则： ( 1 ) 尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙， 特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线， 可在“过孔数量最小化”( v i am i n i m i z 8 t i o n ) 子菜单里选择“o n 项来自动解决。 ( 2 ) 需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联 接所用的过孔就要大一些。 5 ，焊盘( p a d ) 焊盘是p c b 设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选 择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑 该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。p r o t e l 在 封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用 焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。例如，对发热且受力较大、电流较 大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电p c b 的行输出变压器引脚 焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。一般而言，自行编辑焊盘时除了 以上所讲的以外，还要考虑以下原则： ( 1 ) 形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过 大； ( 2 ) 需要在元件引脚之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍； ( 3 ) 各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸 比引脚直径大o 2 o 4 毫米。 6 ，各类膜( m a s k ) 这些膜不仅是p c b 制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条 件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面( 或焊接面) 助焊膜( t o po r b o t t o m ) 和元件面( 或焊接面) 阻焊膜( t o po rb o t t o mp a s t em a s k ) 两类。顾名思义r ，r 助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大 的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形 式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一 层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。 7 ，丝印层( o v e r l a y ) 3 6 硕士学位论文 为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图 案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期 等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观， 忽略了实际制出的p c b 效果。他们设计的印制板上，字符不是被元件挡住就是侵 入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将 会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：“不出歧义，见缝 插针，美观大方”。 3 3 2 一般p c b 板的设计方法 p c b 设计得好坏对电路板抗干扰能力影响很大，因此在进行p c b 设计时，应 该遵循p c b 设计的一般原则，并符合抗干扰设计的要求，要使得电子电路获得最 佳性能，元件的布局布线是很重要的。 3 3 2 1p c b 的布局 p c b 设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效 果，因此可以这样认为，合理的布局是p c b 设计成功的第一步。首先，要考虑 p c b 尺寸的大小，p c b 尺寸过大时，印制线路长，阻抗就会增加，抗噪声的也随 之能力下降，整个电路的成本也会增加；过小，则散热不好，且临近导线容易受 到干扰。在确定p c b 的尺寸之后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功 能单元，对电路的全部元件进行布局。 布局的方式分两种，一种是交互式布局，另种是自动布局。一般是在自动 布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进 行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的晟佳布局。在布局完成 后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得p c b 板中的有关信 息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来，同时对模拟的有 关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证【35 1 。 在确定特殊元件位置时要遵守一下几个原则： ( 1 ) 尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减少他们的分布参数和相互间的电 磁干扰。易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出远客应尽量远离。 ( 2 ) 某些元件或者导线之间可能有较高的电位差，应加大他们之间的距离，以 免发生放电并产生意外短路。带强电的元件应尽量布置在调试时手不易触及到的 地方。 ( 3 ) 重量超过1 5 9 的元件，应当用支架固定，然后加以焊接。那些又大又重、 发热量多的元件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且考虑 散热问题。热敦元件应远离发热元件。 3 7 基于f p g a 的1 g h z 时钟电路设卉 ( 4 ) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应 考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机 外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 ( 5 ) 应留出印制电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。 根据电路的功能单元对电路的全部元件进行布局的原则： ( 1 ) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，伎布局便于信号流通，并 使信号尽可能的保持一致的方向。 ( 2 ) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元件应均匀、整 齐、紧凑地排列在p c b 上，尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接。 ( 3 ) 在高频下工作的电路，要考虑元件之间的分布参数。一般电路应尽可能的 使元件平行排列。这样不但美观，而且焊接容易，易于批量的生产。 ( 4 ) 位于电路板边缘的元件，离电路板边缘一般不小于2 m m 。电路板的晟佳形 状为矩形，长宽比为3 ：2 或者4 ：3 。电路板面积尺寸打鱼2 0 0 m m 1 5 0 m m 时， 应考虑电路板所受的机械强度。 布局之后要进行以下严格的检查： ( 1 ) 印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符? 能否符合p c b 制造工艺要求? 有 无定位标记? ( 2 ) 元件在二维、三维空间上有无冲突? ( 3 ) 元件布局是否疏密有序，排列整齐? 是否全部布完? ( 4 ) 需经常更换的元件能否方便的更换? 插件板插入设备是否方便? ( 5 ) 热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离? ( 6 ) 调整可调元件是否方便? ( 7 ) 在需要散热的地方，装了散热器没有? 空气流是否通畅? ( 8 ) 信号流程是否顺畅且互连最短? ( 9 ) 插头、插座等与机械设计是否矛盾? ( 1 0 ) 线路的干扰问题是否有所考虑? 3 2 2 2p c b 的布线 在p c b 设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都 是为它而做的，在整个p c b 中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量 最大。p c b 布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动 布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进 行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射于扰。必要时应 加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合( 3 6 】。 自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线 3 8 硕士学位论文 的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地 把短线连通，然后进行迷宫式布线，首先把要布的连线进行全局的布线路径优化， 它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。 对目前高密度的p c b 设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的 布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作 用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善。 1 电源、地线的处理 即使在整个p c b 板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到 而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、 地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产 品的质量。 首先在对电源的处理上，应该根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线 的宽度，减少环路的电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递方向一致， 这样有助于增强抵抗噪声的能力。其次在对地线的处理上应本着下面的几个基本 原则： ( 1 ) 信号线接地附近加大量的去偶电容。 ( 2 ) 尽量加宽地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线 电源 线 信号线，通常信号线宽为：0 2 0 3 m m ，最细宽度可达o 0 5 o 0 7 m m ，电源线 为1 2 2 5m m ，而地线的粗细应该在2 3 m m 以上。这样的设计宽度在带有微 处理器的电路中尤为重要，这是因为如果地线过细时，由于电流变化，地电位变 动，微处理器的定时信号的电压不稳，会使噪声容限劣化。对数字电路的p c b 可 用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用( 模拟电路的地不能这样使 用) 。 ( 3 ) 用大面积铜箔层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作 为地线用，这样的得到的屏蔽效果比一条长地线要好，传输线特性和屏蔽作用也 可以得到改善，另外还可以起到减少分布电容的作用。或是做成多层板，电源， 地线各占用一层，一般电源层和地线层设计在多层印制电路板的内层，信号线设 计在内层或外层。 2 数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多p c b 不再是单一功能电路( 数字或模拟电路) ，而是由数字电路 和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别 是地线上的噪音干扰。 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽 可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个p c b 对外界只有一个结点，所 以必须在p c b 内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际 3 9 基于f p g a 的l g h z 时钟电路设计 上是分开的，它们之间互不相连，只是在p c b 与外界连接的接口处( 如插头等) 数 字地与模拟地有一点短接，也只有一个连接点。低频电路的地应尽量采用单点并 联接地，实际布线有困难时可部分串连后再并联接地。高频电路宜采用多点串连 接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。 3 信号线布在电源( 地) 层上 在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加 层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这 个矛盾，可以考虑在电源( 地) 层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是 地层。因为最好是保留地层的完整性。 4 大面积导体中连接引脚的处理 在大面积的接地( 电源) 中，常用元器件的引脚与其连接，对连接引脚的处理 需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件引脚的焊盘与铜面满接为好，但对 元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：焊接需要大功率加热器。容易造成 虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离( h e a t s h i e l d ) 俗称热焊盘( t h e r m a l ) ，这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点 的可能性大大减少。多层板的接电源( 地) 层引脚的处理相同。 5 一般印制导线的处理原则 ( 1 ) 印制导线应尽可能的短，在高频的电路中更应如此；同一元件的各个地址 线或数据线应该尽可能的保持相同的长度；印制导线的拐弯处应尽量呈圆弧状的 角，因为直角或者尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当双 面布线时，两面的导线应互相垂直、斜交或者弯曲走线，避免相互平行，最好在 这些导线之间加上地线。 ( 2 ) 印制电路板导线宽度应该满足电气性能的要求而又便于产生，最小宽度主 要由导线与绝缘t 基板问的黏附强度和流过的电流值所决定，但最小不宜小于 0 2 m m ，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0 3 m m ；导 线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明当铜箔厚度为5 0 “m 、 导线宽度1 1 5 m m 、通过的电流2 a 时，温升很小，一般选用1 1 5 m m 宽度导 线就可以满足设计的要求而不致引起温升；在d i p ( d u a li n 1 i n ep a c k a g e ) 封装的i c 引脚间走线，可采用“10 10 与“l2 一l2 的原则，即当两脚间通过两根线时， 焊盘直径可设置为5 0 t h 、线宽与间距均为l o t h ；当两引脚间只通过1 根线时，焊 盘直径可设置为6 0 t h 、线宽与线间距均为1 2 t h 。 ( 3 ) 印制导线间距：相邻导线间距必须能满足电气安全的要求，而且为了便于 操作和生产，间距也要尽可能的宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，这个 电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其他原因引起的峰值电压。如果相关 技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距可适当加大，对高、 硕士学位论文 低电压悬殊的信号走线应尽可能的缩短长度并加大距离。 ( 4 ) 印制电路板中不允许有交叉线路，对于可能交叉的导线，可以用“钻”、“绕” 两种办法解决。让某条可能有交叉的引线从其他的电阻、电容、三极管引脚下的 空隙处钻过去，或从可能的某条导线的一端绕过去。在特殊情况下，若电路复杂， 为了简化设计，也允许导线跨接，解决交叉电路的问题。 6 设计规则检查( d r c ) 布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时 也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方 面： ( 1 ) 线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通 孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 ( 2 ) 电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合，在p c b 中 是否还有能让地线加宽的地方。 ( 3 ) 对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线 及输出线被明显地分开。 ( 4 ) 模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。 ( 5 ) 后加在p c b 中的图形( 如图标、注标) 是否会造成信号短路。 ( 6 ) 对一些不理想的线形进行修改。 ( 7 ) 在p c b 上是否加有工艺线，阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是 否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。 ( 8 ) 多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外则 容易造成短路。 3 3 3 高速p c b 的设计方法 随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计大多是1 0 0 m h z 以上的电路，总线的工作频率也已经达到或者超过5 0 m h z ，有的甚至超过 1 0 0 m h z 。目前约5 0 的设计的时钟频率超过5 0 m h z ，将近2 0 的设计主频超 j 立1 2 0 m h z 。 当系统工作在5 0 m h z 时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系 统时钟达到1 2 0 m h z 时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的 p c b 将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计必须采取的设 计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。 本设计中时钟信号的频率已经高达1 g h z ，数据传送率也在5 0 0 m h z ，属于典 型的高速电路，因此在布局布线方面除了上面所说的几个原则外，还需要遵循高 4 i 基于f p g a 的1 g h z 时钟电路设计 速p c b 板设计的原则。 3 3 3 1 高速p c b 的布线 通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过4 5 m h z 5 0 m h z ，而且工作 在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量( 比如说1 3 ) ，就称为 高速电路。 实际上，与信号本身相比，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信 号快速变化的上升沿与下降沿( 或称信号的跳变) 引发了信号传输的非预期结果。 因此，通常约定如果导线传播延时大于1 2 数字信号驱动端的上升时间，则认为 此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发生在信号状态改变的瞬间， 如上升或下降时间。信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间，如果传输时问 小于l 2 的上升或下降时间，那么来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前 到达驱动端。反之，反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端。如果反射信号 很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。 上面我们定义了传输线效应发生的前提条件，但是如何得知线延时是否大于 1 2 驱动端的信号上升时间? 一般地，信号上升时间的典型值可通过器件手册给 出，而信号的传播时间在p c b 设计中由实际布线长度决定。p c b 板上每单位英 寸的延时为0 1 6 7 n s 。但是，如果过孔多，器件管脚多，网线上设置的约束多， 延时将增大。通常高速逻辑器件的信号上升时间大约为o 2 n s 。如果板上有g a a s 芯片，则最大布线长度为7 6 2 m m 。设t r 为信号上升时问，t p d 为信号线传播延 时。如果t 也4 t p d ，信号落在安全区域。如果2 t p d t r 4 t p d ，信号落在不确定区 域。如果n s 2 t p d ，信号落在问题区域。对于落在不确定区域及问题区域的信号， 应该使用高速布线方法进行p c b 设计。 ( 1 ) 合理选择层数。高频电路往往集成度较高，且布线密度较大，因此必须采 用多层板进行布线，这也是降低干扰的有效手段。合理选择层数，可以大幅度地 降低印制电路板的尺寸，充分利用中问层来设置屏蔽，更好的实现就近接地，有 效地降低寄生电感，有效地缩短信号传输长度，大幅度地降低信号间的交叉干扰 等。所有这些有利于高频电路的可靠工作。有资料显示，同种材料的四层板要比 双面板的噪声降低2 0 d b ，但是板层数越多，制造工艺越复杂，成本也相对来说越 高。 ( 2 ) 减少高速电路器件引脚间引线的弯折。高频电路布线的引线最好采用全直 线，需要弯折时，可用4 5 。折线或者圆弧线，这样可以减少高频信号对外的发射 和相互问的耦合。 ( 3 ) 缩短高频电路器件引脚间的引线。满足布线最短的有效手段是在自动布线 前对重点的高速网络进行布线预约。 4 2 硕士学位论文 ( 4 ) 减少高频电路器件引脚间的引线层间交替。所谓减少层间交替，也就是指 减少元件在连接过程中所用的过孔。因为一个过孔可以带来大约o 5 p f 的分布电 容，减少过孔数量能显著地提高速度。 ( 5 ) 注意信号线近距离平行走线时所引入的交叉干扰。若无法避免平行分布， 可在平行信号线的反面布置大面积的地，从而大幅度的减少干扰。同层内平行走 线几乎无法避免，但是在相邻的两个层的走线方面务必采取为相互垂直，在高频 电路布线中最好在相邻层分别进行水平和竖直布线。在无法避免同层内平行走线 ，时，可以在印制电路板的反面大面积铺设地线来降低干扰。这是对于常用的双面 板而言，在使用多层板时可以利用中间的电源层来实现这一功能。经过覆铜的电 路板，除能提高高频干扰之外，还可以对散热、提高印制电路板强度等有很大的 好处。另外，若在金属机箱上的电路板固定处加上镀锡栅条，不仅可以提高固定 强度、保障接触良好，还可以利用金属机箱构成合适的公共线。 ( 6 ) 对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。对时钟等单元局部 进行包地处理对高速系统将非常有益。 ( 7 ) 各类信号走线不能形成环路，也不能形成电流环路。 ( 8 ) 每个集成电路块附近应设置一个高频去耦电容。 3 3 3 2 高速p c b 的地线设计 在电子设备中，控制干扰的重要方法就是接地。如果能将接地和屏蔽正确的 结合起来使用，可以解决大部分的干扰问题。在电子设备中，地线结构大致分为 系统地、机壳地( 屏蔽地) 、数字地( 逻辑地) 和模拟地等。在高速设计中要注意以 下几点： 1 正确的选择单点接地和多点接地 在低频电路中，信号的工作频率通常小于1 m h z ，布线和器件间的电感影响 较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地方式。当信号 工作频频大于1 0 m h z 时，地线的阻抗将变得很大，