高速电路PCB设计实践ppt课件

1、高速电路PCB设计实际 学习高速电路PCB设计的必要性 高速电路设计实际根底 PCB简介 PCB EDA 软件简介 PCB设计流程课程时间：周一至周五8：00 11：00；14：00 17：00高速数字电路设计实际根底 高速与低速的区别？ 什么是高速电路？ 高速电路与高频电路的区别？ 传输线实际高速数字电路简介 高速数字信号由信号的边沿速度决议，普通以为上升时间小于4倍信号传输延迟时，可视为高速信号。平常讲的高频信号是针对信号时钟频率而言的。设计开发高速电路应具备信号分析、传输线、模拟电路的知识 rT5 . 0Fknee频率 vs. 信号沿即信号的时钟频率Fclock vs. 信号的有效频率F

2、kneeTr信号的上升时间drTT41电信号传播 电信号在真空中的传播速度大约是30万公里每秒，即31010 cm/s(表示幂运算)，亦即约11800 mil/ns. 在其他介质中，假设相对介电常数为Er，那么传播速度约为：11800Er0.5 mil/ns 普通PCB板FR4资料的介电常数是4左右，所以，电信号在其中的传播速度大约是11800/(40.5) = 5900 mil/ns 信号在沿着传输线传输时，是以电磁波的方式传输的。电磁波包含时变的电场和磁场。 l = 5.6in.10-in. trace+-V(t)0 in.10 in.1-in.trace+-V(t)0ns1ns2ns3n

3、s4ns0ns1ns2ns3ns4ns分布参数线上每一点电压不同集总参数线上所有点电压相同0ns1234TimeV(t)t10-90= 1ns假设一种脉冲信号的上升沿大约是1.0ns有效频率0.5GHz，它在FR-4的印刷电路板中沿内层走线传输有5.6in.长，这由以下公式可算得： drTtl 上升时间单位时延上升沿长度drTtLEN61取Td=180ps/inch得L= 5.6 inch高速数字电路简介四种常见传输线同轴电缆双绞线微带线带状线外层介质外层屏蔽内层介质内层导体传导层介质接地层介质第一导体介质第二导体接地层介质传导层接地层PCB中的传输线电视天线线、网线PCB简介顶层（第一层），

4、信号层，微带传输线第二层，平面层第三层，信号层，带状传输线第四层，信号层，带状传输线第五层，平面层底层（第六层），信号层，微带传输线绝缘介质rPCB板中的传输线分析相对介电常数r 我们常用的PCB介质是FR4资料的，相对空气的介电常数是4.2-4.7。这个介电常数是会随温度变化的，在0-70度的温度范围内，其最大变化范围可以到达20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5计算板间电容以及延时 普通的FR4资料的PCB板中内层信号的传输速度为180ps/inch 。表层普通要视情况而定，普通介于1

5、40与170之间 。微带线 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，一平方英寸的铜箔，厚度为1.44mils时，质量为1oz。54)5 . 1 (1 . 2,6,1 . 5, 3 . 40ZozCumiltmilwmilhr电介质htw信号层平面层r信号线(微带传输线) .67. 0475. 0858 . 098. 5ln41. 1870inpsttwhZrpdr0微带线 Microstrip微带

6、线 Microstrip带状线 Stripline1 foot = 12 inch1 inch = 2.54 cm1 inch = 1000 mils1英寸 = 1000密耳1oz = 1.44 mils1盎司=1.44密耳带状线 Stripline43)1 (44. 1,6,5 .14, 3 . 40ZozCumiltmilwmilhr电介质r信号层平面层平面层hwt信号线(带状传输线) .858 . 09 . 1ln600inpsttwhZrpdr带状线 StriplinePCB简介反射 传输线上只需出现阻抗不延续点就会出现信号的反射景象，如：信号线的源端和负载端、过孔、走线分支点、走线的

7、拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。 通常所说的反射包括负载端反射和源端反射。负载端与传输线阻抗不匹配时会引起负载端反射，负载将一部分电压反射回源端。源端与传输线阻抗不匹配时会引来源端反射，由负载端反射回来的信号传到源端时，源端也将部分电压再反射回负载端。反射呵斥了信号振铃景象，假设振铃的幅度过大，一方面能够呵斥信号电平的误判别，另一方能够会对器件呵斥损坏。反射ZSZLZ0 001002ZZZZRZZZZRssLL负载端反射系数：源端反射系数：源端阻抗传输线阻抗负载阻抗有正负反射ZsZLZ0一次反射二次反射三次反射四次反射五次反射)()()(THAx)(A)(xH)(xH)(xH)(x

8、H)(xH)(T)(T)(T)(2R)(2R)(2R)(1R)(1R )()()(122TRHRHAxx )()()(2122TRHRHAxx负载端最终信号一次信号二次信号三次信号呵斥过冲、振铃反射1消除一次反射:消除二次反射: 02R0ZZL 01R0ZZS改善方法：短线:pdrtTLEN61反射串行端接Z0Rs串行端接匹配的信号源的阻抗，所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应该大于等于传输线阻抗细微过阻尼，即RS=Z0-R0反射并行端接Z0RT = Z0简单并行端接Z0R2戴维宁(Thevenin）并行端接VccR102121ZRRRRRTZ0有源并行端接VBIASRT = Z0简单，

9、但要保证足够大的高电平驱动电流，所以电流耗费大简单，但选择VBIAS要保证驱动源在输出高低电平常的汲取才干,比较困难。分压器型端接，利用上下拉电阻构成端接来吸收反射。虽然降低了对器件驱动才干的要求，但R1和R2一致从系统电源中吸收电流，会添加系统的直流功耗。反射多负载端接反射呵斥反的其它缘由过孔走线分支走线拐角反射过孔接地层垫片外径通孔本体清洁环12141. 1DDDTC14ln08. 5dhhL反射减小过孔影响从本钱和信号质量两方面思索，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20Mil钻孔/焊盘的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试运用8/

10、18Mil的过孔。目前技术条件下，很难运用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔那么可以思索运用较大尺寸，以减小阻抗。上面讨论的两个公式可以得出，运用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要运用不用要的过孔。电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，由于它们会导致电感的添加。同时电源和地的引线要尽能够粗，以减少阻抗。在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。 反射走线分支分支点Z0Z0Z0Rt=Z0abcVcRt=Z034V反射V 反射31+1ad开路V二

11、次反射b31反射系数31分支呵斥反射景象反射走线拐角一个布线弯角可以视为一个分布电容061ZewCrPCB简介 PCB的作用 PCB的分类 PCB的开展趋势PCB传输线PCB的作用 为元器件提供固定、装配的机械支撑 为元器件提供电气衔接与绝缘 为元器件焊接提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符 PCBPrinted Circuit Board印刷电路板也称PWBPrinted Wiring Board印刷线路板，简称印制板 PCB分类 按层叠构造Constructor分 按废品硬度Hardness性能分 按孔的导通形状分 按材质分 按外表制造分 按用途分PCB可分别根据层叠构造(c

12、onstructor)、废品硬度性能(hardness)、孔的导通形状、材质、外表制造、用途等进展分类 按层叠构造分按层叠构造分 单面板、双面板、多层板层数是以铜箔导电层的层数为根据单面板：单面板：所用的绝缘基板上只需一面是敷铜面，用于制造铜箔导线，而另一面只印上没所用的绝缘基板上只需一面是敷铜面，用于制造铜箔导线，而另一面只印上没有电气特性的元件型号和参数等。有电气特性的元件型号和参数等。按层叠构造分按层叠构造分 单面板、双面板、多层板层数是以铜箔导电层的层数为根据双面板：双面板：在绝缘基板的上、下二面均敷铜层，都可制造铜箔导线，底面和单面板作用一样，在绝缘基板的上、下二面均敷铜层，都可制造

13、铜箔导线，底面和单面板作用一样，而在顶面除了印制元件的型号和参数外，和底层一样可以制形成铜箔导线，元件普而在顶面除了印制元件的型号和参数外，和底层一样可以制形成铜箔导线，元件普通仍安装在顶层，为理处理顶层和底层一样导线之间的衔接关系，采用金属化过孔通仍安装在顶层，为理处理顶层和底层一样导线之间的衔接关系，采用金属化过孔来实现。来实现。按层叠构造分按层叠构造分 单面板、双面板、多层板层数是以铜箔导电层的层数为根据多层板：多层板：由电气导电层和绝缘资料层交替粘合而成，本钱较高，导电层数目普通为由电气导电层和绝缘资料层交替粘合而成，本钱较高，导电层数目普通为4、6、8等，且中间层即内电层普通是衔接元

14、件管脚数目最多的电源和接地网络，层间等，且中间层即内电层普通是衔接元件管脚数目最多的电源和接地网络，层间的电气衔接同样利用层间的金属化过孔实现。的电气衔接同样利用层间的金属化过孔实现。按废品硬度Hardness性能分硬板Rigid PCB也称刚性、软板Flexible PCB也挠性印制板、软硬板Rigid-Flex PCB也称刚挠结合板刚性印制板PCB具有一定的机械强度，用它装成的部件具有一定的抗弯才干，在运用时处于平展形状。普通电子设备中运用的都是刚性印制板PCB。挠性印制板PCB是以软层状塑料或其他软质绝缘资料为基材而制成。它所制成的部件可以弯曲和伸缩，在运用时可根据安装要求将其弯曲。按孔

15、的导通形状分616L1L2L5L63L3L48L7L8L9L10L11L126通孔盲孔埋孔按材质分a. 有机材质如酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等。b. 无机材质如铝、Copper-invar-copper (CIC)、ceramic等 铝基板PCB 按用途分：按用途分： 通讯通讯/耗用性电子耗用性电子/军用军用/计算机计算机/半导体半导体/电测板电测板,BGA等等按外表制造分：按外表制造分：solderSurfaceHot Air Level Soldering 喷锡喷锡(HASL)Entek/OSP防氧化板防氧化板Carbon Oil 碳油板碳油板Pee

16、lable Mask 蓝胶板蓝胶板Gold Finger 金手指板金手指板Immersion Gold 沉金板沉金板Gold Plating 镀金镀金Immersion Tin 沉锡板沉锡板Immersion Silver 沉银板沉银板(D2厂厂PCB技术的开展趋势高密度互连技术(HDI，High Density Inverter )组件埋嵌新型资料光电PCB制造工艺、设备更新高密度互连技术(HDI，High Density Inverter )小型化HDI产品：小型化HDI最初是指废品尺寸和分量的缩减，这是经过本身的布线密度设计以及运用新的诸如 uBGAs这样的高密度器件来实现 ，内部互连采

17、用埋孔工艺构造的主要是6层或者8层板。 封装用的高密度IC基板：高密度基板的HDI板主要集中在4层或6层板，层间以埋孔实现互连，其中至少两层有微孔。其目的是满足倒装芯片高密度I/O数添加的需求 。该技术适用于倒装芯片或者邦定用基板 高性能产品的高层数板：高层数HDI板通常是第1层到第2层或第1层到第3层有激光钻孔的传统多层板。该技术适用于拥有高I/O数或细间距元件的高层数HDI板 组件埋嵌在PCB的内层构成半导体器件(称有源组件)、电子组件(称无源组件)或无源组件 。新型资料无论是刚性PCB或是挠性PCB资料,随着全球电子产品无铅化,要求必需使这些资料耐热性更高,因此新型高Tg、热膨胀系数小、

18、介质常数小，介质损耗角正切优良资料不断涌现 光电PCB光电PCBPCB的开展趋势PCB EDA 软件简介 Cadence Allegro Altium Designer PADSPowerPCB、Mentor WG Cadence Allegro组件引见Front-end PCB designPCB前端设计前端设计Front-end PCB design requires functional conflict resolution and the unambiguous capture of goals and constraints. Cadence technology supports

19、 multiple design approaches for accurate simulations and tradeoffs. PCB前端设计电路原理图需求明确设计目的、处理功能冲突、设计规那么参数。前端设计电路原理图需求明确设计目的、处理功能冲突、设计规那么参数。 Cadence提供多种设计仿真分析方法。提供多种设计仿真分析方法。Cadence Allegro SPB Silicon Package Board FPGA-PCB co-designFPGA-PCB协同设计协同设计Integrating large-pin-count FPGAs with many different

20、 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 with two placement-aware technologies that autom

21、ate pin assignment.FPGA集成了很多不同类型的引脚，电路板设计时，手工分配这些引脚要花很多时间，集成了很多不同类型的引脚，电路板设计时，手工分配这些引脚要花很多时间，且且PCB返工的风险极大。返工的风险极大。Cadence的自动分配引脚技术替代人工绘制，防止人工失误。的自动分配引脚技术替代人工绘制，防止人工失误。AMS simulationAMS仿真仿真Finding problems early with accurate simulations before fabrication saves time and budget. Cadence analog/mixed-

22、signal (AMS) simulators enable accurate modeling, verification, and optimization of designs to reduce risk. 在在PCB消费前，准确的仿真能节约时间与金钱。消费前，准确的仿真能节约时间与金钱。 Cadence 的混合信号仿真软件可以经的混合信号仿真软件可以经过准确建模、验证、优化设计以降低风险。过准确建模、验证、优化设计以降低风险。Layout and routing规划和布线规划和布线Shrinking design cycles and a growing number of nets

23、 with constraints require 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 co

24、mponents.为了减少设计周期、连线的限制越来越多，要求设计者用的为了减少设计周期、连线的限制越来越多，要求设计者用的PCB设计软件拥有可预测性设计软件拥有可预测性并能加快设计周期。并能加快设计周期。 Cadence 规划和布线工具提供可扩展、易用、从单层到多层电规划和布线工具提供可扩展、易用、从单层到多层电路板、射频元件制造等印刷电路板约束规那么的设计处理方案。路板、射频元件制造等印刷电路板约束规那么的设计处理方案。Cadence Allegro SPB Silicon Package Board Signal and power integrity信号与电源完好性信号与电源完好性Str

25、esses on signal and power integrity grow with every increase in speed, complexity, and miniaturization. Cadence technology helps you address everything from simple electrical analysis to multi-board signal simulations in the multi-gigabit range. 电路板的速度越快、功能越多、面积越小，对信号与电路的完好必要求越高。电路板的速度越快、功能越多、面积越小，对

26、信号与电路的完好必要求越高。Cadence可从简单电气分析到多层电路板信号完好性分析，进展高达可从简单电气分析到多层电路板信号完好性分析，进展高达GHz以上的仿真。以上的仿真。Library and design data management数据管理数据管理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 envir

27、onment provides advanced features for intra-company and design chain collaboration and control.高效、及时交付工程，需求提供设计软件版本、设计数据。高效、及时交付工程，需求提供设计软件版本、设计数据。Cadence 的数据管理功能的数据管理功能廉价公司内部设计团队管理与协同协作。廉价公司内部设计团队管理与协同协作。Cadence Allegro SPB Silicon Package Board PCB软件Altium Designer 早期为Protel99、Protel DXP2004。澳大利亚A

28、ltium公司出品，界面美观，操作相对简单， 画封装，拼版，消费gerber等都挺方便，国内还有很多企业都还在用Protel 99或DXP 。但覆铜功能差，相对其它软件对电脑配置要求较高，适宜中低端单层、双层电路板电路设计。PADSPowerPCBMentor WG 即 Mentor Expedition，是Mentor Graphics推出基于Windows界面的PCB 设计工具。Mentor WG软件自带的有原理图输入工具Design Capture，但如今 Mentor 公司引荐的是 Mentor DxDesigner Mentor WG 的组合。Mentor也是高端软件，国内用的相对C

29、adence少即PowerPCB，用的人也是相当的多，好用，易上手。界面简单，适宜于中低端单层、双层电路板设计 国内公司运用的EDA工具 Intel： Concept+Allegro+ SpecctraQuestDell： DXD+ Allegro + SQ原理图也有一部分是原理图也有一部分是 CaptureHuawei：viewdraw+ Allegro + SpecctraQuest+ExpEDAtionZTE： Concept+Allegro+ SpecctraQuest+ExpEDAtionUT：Concept+Allegro、PowerPCB+ SpecctraQuestCsico：

30、Concept+Allegro+ SpecctraQuestHp：Concept+Allegro+ SpecctraQuest 从从 Boardstation转成转成 Alllegro 流流程程Moto： Concept+Allegro+ SpecctraQuest 从从 Boardstation转成转成 Alllegro 流流程程Nokia: Mentor BA+ ZUKEN BDCHIPCONTI：CADSTARCadence Allegro 16.3组件Cadence Help: 协助文档协助文档Design entry CIS：原理图绘制运用广泛、可以转换到：原理图绘制运用广泛、可以转换到Mentor和和PADSDesign entry HDL：原理图