高速电路设计与仿真之PCB篇（二）

一、PCB层叠对信号质量的影响：
1、覆铜层最好是成对设置，如6层板的2、5层或者3、4层一起覆铜，这是考虑到工艺上平衡结构的要求，因为不平衡的覆铜层可能会导致PCB膨胀时翘曲变形；
2、最好每个信号层都能和至少一个覆铜层紧邻，有利于阻抗控制和提高信号质量；
3、缩短电源和地之间的距离，降低电源阻抗；
4、高速情况下，可以加入多余的地层来隔离信号，但建议不要多加电源层来隔离，因为电源层会带来较多的高频噪声干扰。

实际案例：
A、单面板、双面板情况下（频率200KHz以下）：
（1）重要的布线（时钟信号）紧靠地线；
（2）布局时根据元器件特性划分，将一些对噪声敏感的器件放在一起；
（3）将包含关键信号（时钟信号）的元件放在一起，高速信号之间以及和其他信号之间保持一定间距；
（4）若果有不同的地，分开处理，一般采用单点连接；
（5）电源和地线尽可能靠近，减少各种电流回路面积。
注意：单双面板不符合EMC的要求，因为PCB板厚，RF信号的回流很少通过低电感的参考平面，从而产生较强的电磁辐射。

B、4层板：
4层及以上板卡一般均可保证良好的EMC和其他电气性能，所以高速电路一定要采用多层板。
4层板设计一般有两种，一种是均匀间距，另一种是非均匀的，如下图所示：

均匀间距设计：
主要是电源、地之间间距小，可大幅降低电源阻抗，提高电源稳定性；但相应的两个信号层的阻抗较高，通常为105-130Ω；且由于信号层与参考平面间距较大，增加了信号回流面积，EMI较强；

非均匀间距设计：
可以较好的进行阻抗控制，信号靠近参考平面有利于提高信号质量，减少EMI；缺点就是电源、地间距较大，电源、地耦合减弱，阻抗增加，但这可通过增加旁路电容来改善。

实际高速电路设计中一般都要进行阻抗控制和提高信号质量，所以多采用非均匀间距设计方案。

C、6层板、8层板这里不在赘述，感兴趣的朋友自行百度。

注意：在低频时，电流将沿电阻最小的路径传输；在高频时，电流将沿电感最小的路径传输。

二、过孔对信号质量的影响：
过孔在高速PCB中会引入电容，并改变传输线阻抗。过孔基本可分为以下三种：

通孔（镀孔）：用于连接层；生成钻孔文件，在PCB上打孔并在孔内电镀；通常远远大于信号线；
盲孔&埋孔：提供更大的配线密度；增加PCB制造成本，通常只用在高容量电路中；埋孔难以调试。

三、去耦电容（旁路电容）对信号质量的影响：
当一个元器件内部的门电路进行转换时，会在元件内部产生瞬时阻抗变化，导致电流瞬时变化。为减少地和电源信号的波动，确保电源和电压信号工作在元件的额定范围内，就需要用到去耦电容为这些电流的瞬时变化提供一个低阻抗的路径。

高速设备需要“旁路”的五大频带范围：
1、0-10Khz：使用调整器；
2、10-100Khz：使用旁路电解电容；
3、100Khz-10Mhz：使用多个100nF电容；
4、10-100Mhz：使用多个10nF电容；
5、100Mhz以上：使用多个1nF电容以及PCB电源和地平面。

需要多少去耦电容一般由系统决定，需要考虑系统运行频率、IO引脚数量、每个引脚上的电容特性、布线阻抗、交叉点温度、内部芯片运行状态等。
对于处理器而言，需要考虑各种内部操作，包括缓存、内部存储器存储、DMA等。
另外，还需要考虑从直流到远高于时钟频率的所有频率上，电源引脚的噪声应在Udd噪声的±5%以内，最大直流电压漂移容限加上峰值噪声幅度必须小于供电电压的5%。

为取得最佳性能，需要使元件供电引脚与去耦电容间的电感和电阻最小，所以布局时需考考虑布局和连接方式：

当PCB中存在电源和地平面时，PCB顶层的电容能达到最佳效果，如下图：

随着时钟频率和边沿切换速度的增加，有效的对高频设备的电源引脚去耦或者提供旁路就变得困难了，因为电容的ESL（等效串联电感）随频率的增加而增强了电抗；电容的ESR（等效串联电阻）增加，降低了电容的功效；电容寄生装配（焊盘、过孔）电抗随频率增加而增加。
对于高于100Mhz的频率来说，100nF的电容不起作用。

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