高速单片机硬件关键参数设计概述(精)

1、高速单片机硬件关键参数设计概述引言 ?随着单片机的频率和集成度、单位面积的功率及数字信号速度的不断提高，而信号的幅度却不断降低，原先设计好的、使用很稳定的单片机系统，现在可能出现莫名其妙的错误，分析原因，又找不出问题所在。另外，由于市场的需求，产品需要采用高速单片机来实现，设计人员如何快速掌握高速设计呢 ? 硬件设计包括逻辑设计和可靠性的设计。逻辑设计实现功能。硬件设计工程师可以直接通过验证功能是否实现，来判定是否满足需求。这方面的引 言?随着单片机的频率和集成度、单位面积的功率及数字信号速度的不断提高，而信号的幅度却不断降低，原先设计好的、使用很稳定的单片机系统，现在可能出现莫名其妙的错误，

2、分析原因，又找不出问题所在。另外，由于市场的需求，产品需要采用高速单片机来实现，设计人员如何快速掌握高速设计呢 ?硬件设计包括逻辑设计和可靠性的设计。逻辑设计实现功能。硬件设计工程师可以直接通过验证功能是否实现，来判定是否满足需求。这方面的资料相当多，这里就不叙述了。硬件可靠性设计，主要表现在电气、热等关键参数上。我将这些归纳为特性阻抗、 SI 、 PI 、EMC、热设计等 5 个部分。1 特性阻抗近年来，在数字信号速度日渐增快的情况下，在印制板的布线时，还应考虑电磁波和有关方波传播的问题。这样，原来简单的导线，逐渐转变成高频与高速类的复杂传输线了。在高频情况下，印制板（ PCB）上传输信号的

3、铜导线可被视为由一连串等效 电阻及一并联 电感所组合而成的传导线路，如图 1 所示。只考虑杂散分布的串联电感和并联 电容的效应，会得到以下公式：式中 Z0 即特性阻抗，单位为。PCB的特性阻抗 Z0 与 PCB设计中布局和走线方式密切相关。影响 PCB走线特性阻抗的因素主要有：铜线的宽度和厚度、介质的介电常数和厚度、焊盘的厚度、地线的路径、周边的走线等。在 PCB的特性阻抗设计中，微带线结构是最受欢迎的，因而得到最广泛的推广与应用。最常使用的微带线结构有 4 种：表面微带线（ surfacemic rostrip）、嵌入式微带线（ embedded microstrip）、带状线（ strip

4、line ）、双带线（ dual -stripline ）。下面只说明表面微带线结构，它几种可参考相关资料。表面微带线模型结构如图 2 所示。其Z0 的计算公式如下：对于差分信号，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：公式中： PCB基材的介电常数；b PCB传输导线线宽；d1 PCB传输导线线厚；d2 PCB介质层厚度；D差分线对线边沿之间的线距。从公式中可以看出，特性阻抗主要由、 b、 d1、d2 决定。通过控制以上 4 个参数，可以得到相应的特性阻抗。2 信号完整性（ SI ）SI 是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中的信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达 I

5、C，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题主要表现为 5 个方面：延迟、 反射、串扰、同步切换噪声和电磁兼容性。延迟是指信号在 PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响。在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。当 PCB板上导线 ( 高速数字系统中称为传输线 ) 的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。如果信号在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。由于 PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容和互感，因此，当一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导线，即串扰。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。信号质量表现为几个方面。对于大家熟知的频率、周期、占空