高速信号走线规则.docx
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高速信号走线规则
高速信号走线规则
随着信号上升沿时间的减小，信号频率的提高，电子产品的EMI问题，也来越受到电子工程师的关注。
高速PCB设计的成功，对EMI的贡献越来越受到重视，几乎60％的EMI问题可以通过高速PCB来控制解决。
规则一：
高速信号走线屏蔽规则
在高速的PCB设计中，时钟等关键的高速信号线，走需要进行屏蔽处理，如果没有屏蔽或只屏蔽了部分，都是会造成EMI的泄漏。
建议屏蔽线，每1000mil，打孔接地。
如上图所示。
规则二：
高速信号的走线闭环规则由于PCB板的密度越来越高，很多PCBLAYOUT工程师在走线的过程中，很容易出现这种失误，如下图所示：
时钟信号等高速信号网络，在多层的PCB走线的时候产生了闭环的结果，这样的闭环结果将产生环形天线，增加EMI的辐射强度。
规则三：
高速信号的走线开环规则规则二提到高速信号的闭环会造成EMI辐射，同样的开环同样会造成EMI辐射，如下图所示：
时钟信号等高速信号网络，在多层的PCB走线的时候产生了开环的结果，这样的开环结果将产生线形天线，增加EMI的辐射强度。
在设计中我们也要避免。
规则四：
高速信号的特性阻抗连续规则高速信号，在层与层之间切换的时候必须保证特性阻抗的连续，否则会增加EMI的辐射，如下图：
也就是：
同层的布线的宽度必须连续，不同层的走线阻抗必须连续。
规则五：
高速PCB设计的布线方向规则相邻两层间的走线必须遵循垂直走线的原则，否则会造成线间的串扰，增加EMI辐射，如下图：
相邻的布线层遵循横平竖垂的布线方向，垂直的布线可以抑制线间的串扰。
规则六：
高速PCB设计中的拓扑结构规则在高速PCB设计中有两个最为重要的内容，就是线路板特性阻抗的控制和多负载情况下的拓扑结构的设计。
在高速的情况下，可以说拓扑结构的是否合理直接决定，产品的成功还是失败。
如上图所示，就是我们经常用到的菊花链式拓扑结构。
这种拓扑结构一般用于几Mhz的情况下为益。
高速的拓扑结构我们建议使用后端的星形对称结构。
规则七：
走线长度的谐振规则
检查信号线的长度和信号的频率是否构成谐振，即当布线长度为信号波长1／4的时候的整数倍时，此布线将产生谐振，而谐振就会辐射电磁波，产生干扰。
规则八：
回流路径规则
所有的高速信号必须有良好的回流路径。
近可能的保证时钟等高速信号的回流路径最小。
否则会极大的增加辐射，并且辐射的大小和信号路径和回流路径所包围的面积成正比。
规则九：
器件的退耦电容摆放规则
退耦电容的摆放的位置非常的重要。
不合理的摆放位置，是根本起不到退耦的效果。
退耦电容的摆放的原则是：
靠近电源的管脚，并且电容的电源走线和地线所包围的面积最小。
SI高速电路设计：
高速PCB设计理论基础
第一部分信号完整性知识基础
第一章高速数字电路概述 现代的电子设计和芯片制造技术正在飞速发展，电子产品的复杂度、时钟和总线频率等等都呈快速上升趋势，但系统的电压却不断在减小，所有的这一切加上产品投放市场的时间要求给设计师带来了前所未有的巨大压力。
要想保证产品的一次性成功就必须能预见设计中可能出现的各种问题，并与时给出合理的解决方案，对于高速的数字电路来说，最令人头大的莫过于如何确保瞬时跳变的数字信号通过较长的一段传输线，还能完整地被接收，并保证良好的电磁兼容性，这就是目前颇受关注的信号完整性（SI）问题。
本章就是围绕信号完整性的问题，让大家对高速电路有个基本的认识，并介绍一些相关的基本概念。
1.1 何为高速电路 “高速电路”已经成为当今电子工程师们经常提与的一个名词，但究竟什么是高速电路?
这的确是一个“熟悉”而又“模糊”的概念。
而事实上，业界对高速电路并没有一个统一的定义，通常对高速电路的界定有以下多种看法：
有人认为，如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ-50MHZ，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；也有人认为高速电路和频率并没有什么大的联系，是否高速电路只取决于它们的上升时间；还有人认为高速电路就是我们早些年没有接触过，或者说能产生并且考虑到趋肤效应的电路；更多的人则对高速进行了量化的定义，即当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于1/2上升时间时，就叫做高速电路，本文也沿用这个定义作为考虑高速问题的标准。
此外，还有一个容易产生混淆的是“高频电路”的概念，“高频”和“高速”有什么区别呢?
对于高频，很多人的理解就是较高的信号频率，虽然不能说这种看法有误，但对于高速电子设计工程师来说，理解应当更为深刻，我们除了关心信号的固有频率，还应当考虑信号发射时同时伴随产生的高阶谐波的影响，一般我们使用下面这个公式来做定义信号的发射带宽，有时也称为EMI发射带宽：
F=1／（Tr*π），F是频率（GHz）；Tr（纳秒）指信号的上升时间或下降时间。
通常当F>100MHz的时候，就可以称为高频电路。
所以，在数字电路中，是否是高频电路，并不在于信号频率的高低，而主要是取决于上升沿和下降沿。
根据这个公式可以推算，当上升时间小于3.185ns左右的时候，我们认为是高频电路。
对于大多数电子电路硬件设计工程师来说，完全没有必要拘泥于概念的差异，心中应该有个广义的“高速”定义，那就是：
如果在确保正确的电气连接的前提下，电路仍不能稳定的高性能工作，而需要进行特殊的布局，布线，匹配，屏蔽等处理，那么，这就是“高速”设计。
1.2高速带来的问题与设计流程剖析 虽然不少人对高速可能有了一点概念性的认识，但往往难以想象在所谓的“高速”情况下，会真正给实际的电路系统带来什么样的后果，这里我举几个实际的案例来剖析一下高速给PCB设计带来的一系列问题。
A．某公司早期开发的一个产品，一直工作良好，可是最近生产出来的一批却总是毛病不断，受到许多客户的抱怨。
可是根本没有对设计进行任何变动，连使用的芯片也是同一型号的，原因是什么呢?
B．某个PCB工程师Layout经验非常丰富，设计的产品很少出过问题，但最近设计了一块PCB板，却发现了EMC检测不合格的问题，改变布线也毫无效果，但以前类似的板子却没有这样的问题。
C．一个专业的内存模块设计工程师，从EDO内存到SDRAM的PC66，PC100，设计过很多项目，很少出现问题，可是自从内存时钟频率上到133MHz以上时，几乎很少有设计能一次性通过的。
简单分析一下上面的几个案例，A的情况是由于芯片的工艺改进造成的，虽然所使用的芯片基本电路功能一样，但随着的IC制造工艺水平的提高，信号的上升沿变快了，于是出现了反射、串扰等信号不完整的问题，从而导致突然失效；B例子中，通过细致地检测，最终发现是PCB板上有两个并排平行放置的电感元件，所以产生了较为严重的EMI；C中的内存设计师则是因为忽视了严格的拓补结构要求，在频率提高、时序要求更严格的情况下，非单调性和时钟偏移等问题造成了设计的内存模块无法启动。
除了以上提到的三个实例，还有很多其他的问题，比如因为电容设计不当导致电源电压不稳而无法工作，数模接地不正确产生的干扰太严重使得系统不稳定等等。
随着电子技术的不断发展，类似于以上的各种问题层出不穷，而且可以预见，今后还会出现更多的这样或那样的问题。
所以，了解信号完整性理论，进而指导和验证高速PCB的设计是一件刻不容缓的事情。
传统的PCB设计一般经过原理图设计、布局、布线、优化等四个主要步骤，由于缺乏高速分析和仿真指导，信号的质量无法得到保证，而且大部分问题必须等到制板测试后才能发现，这大大降低了设计的效率，提高了成本，显然在激烈的市场竞争下，这种设计方法是很不利的。
于是，针对高速PCB设计，业界提出了一种新的设计思路，称为“自上而下”的设计方法，这是一种建立在实时仿真基础上优化的高效设计流程，见图1-1-1：
图1-1-1高速PCB设计流程
从上面的流程图可以看到，高速的PCB设计在完成之前，经过多方面的仿真、分析和优化，避免了绝大部分可能产生的问题，如果依托强大的EDA仿真工具，基本上能实现“设计即正确”目的。
在整个高速设计过程中，信号完整性工程师必须贯穿于设计的始终，Cadence公司的首席顾问DonaldTelian曾给信号完整性工程师归纳了七点作用：
∙ 研究和定义（pioneeringanddefining）
∙ 分类和总结（Partitioning和Approximating）
∙ 建模和测量（ModelingandMeasuring）
∙ 设计和优化（Designingandoptimizing）
∙ 量化和验证（Quantifyingandverifying）
∙ 减少和简化（Reducingandsimplifying）
∙ 联系和调试（CorrelatingandDebugging）
对于以上这七大作用的详细阐述，可以参见1997highperformancesystemDesignConference上DonaldTelian的原稿。
1.3相关的一些基本概念 在具体讨论信号完整性理论知识之前，这节中我们将对高速设计中经常提到的一些基本名词做些简单地整理和介绍，给初步接触高速的设计人员提供一个概念性的认识。
信号完整性（SignalIntegrity）：
就是指电路系统XX号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。
传输线（TransmissionLine）：
由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。
集总电路（Lumpedcircuit）：
在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。
分布式系统（DistributedSystem）：
实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比己不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。
上升/下降时间（Rise/FallTime）：
信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。
截止频率（KneeFrequency）：
这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率X围（0．5/Tr），记为Fknee。
，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。
特征阻抗（CharacteristicImpedance）：
交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Zo。
可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值（V/I）来表示。
传输延迟（Propagationdelay）：
指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tpd
微带线（Micro-Strip）：
指只有一边存在参考平面的传输线。
带状线（Strip-Line）：
指两边都有参考平面的传输线。
趋肤效应（Skineffect）：
指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。
与此类似的还有集束效应，现象是电流密集区域集中在导体的内侧。
反射（Reflection）：
指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收，发射的程度可以有反射系数p表示。
过冲/下冲（Overshoot/undershoot）：
过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压，而下冲就是指第二个谷值或峰值。
振荡：
在一个时钟周期中，反复的出现过冲和下冲，我们就称之为振荡。
振荡根据表现形式可分为振铃（Ringing）和环绕振荡，振铃为欠阻尼振荡，而环绕振荡为过阻尼振荡。
匹配（Ternlination）：
指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。
因为通常采用在源端或终端，所以也称为端接。
串扰：
串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰，这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。
信号回流（Returncurrent）：
指伴随信号传播的返回电流。
自屏蔽（Selfshielding）：
信号在传输线上传播时，靠大电容耦合抑制电场，靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。
前向串扰（ForwardCrosstalk）：
指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰，也称为远端干扰（Far-endcrosstalk）。
后向串扰（ForwardCrosstalk）：
指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰，也称为近端干扰（Near-endcrosstalk）。
屏蔽效率（SE）：
是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数，单位为分贝。
吸收损耗：
吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。
反射损耗：
反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。
校正因子：
表示屏蔽效率下降的情况的参数，由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。
差模EMI：
传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI，就叫做差模EMI。
共模EMI：
当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候，就会产生共模辐射，既共模EMI。
发射带宽：
即最高频率发射带宽，当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候，输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。
该方波中包含频率X围更宽广的正弦谐波分量，这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分，而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。
电磁环境：
存在于给定场所的所有电磁现象的总和。
电磁骚扰：
任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。
电磁干扰：
电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。
电磁兼容性：
设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
系统内干扰：
系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。
系统间干扰：
有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。
静电放电：
具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。
建立时间（setupTime）：
建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。
保持时间（HoldTime）：
为了成功的锁存一个信号到接收端，器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间，以确保数据被正确的操作。
这个最小的时间就是我们说的保持时间。
飞行时间（FlightTime）：
指信号从驱动端传输到接收端，并达到一定的电平之间的延时，和传输延迟和上升时间有关。
Tco：
是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差，这是信号在器件内部的所有延迟总和，一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。
缓冲延迟（bufferdelay）：
指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间
时钟抖动（Jitter）：
时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差，通常可以用两个或多个时钟周期差值来量度，这个误差是由时钟发生器内部产生的，和后期布线没有关系。
时钟偏移（Skew）：
是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。
假时钟：
假时钟是指时钟越过阈值（threshold）无意识地改变了状态（有时在VIL或VIH之间）。
通常由于过分的下冲（undershoot）或串扰（crosstalk）引起。
电源完整性（PowerIntegrity）：
指电路系统中的电源和地的质量。
同步开关噪声（SimultaneousSwitchNoise）：
指当器件处于开关状态，产生瞬间变化的电流（di/dt），在经过回流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而引起噪声，简称SSN。
也称为△i噪声。
地弹（GroundBounce）：
指由于封装电感而引起地平面的波动，造成芯片地和系统地不一致的现象。
同样，如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异，就称为电源反弹（PowerBounce）。
PCB叠层参考
名词定义：
SIG：
信号层；GND：
地层；PWR：
电源层；
电路板的叠层安排是对PCB的整个系统设计的基础。
叠层设计如有缺陷，将最终影响到整机的EMC性能。
总的来说叠层设计主要要遵从两个规矩:
1.每个走线层都必须有一个邻近的参考层（电源或地层）;
2.邻近的主电源层和地层要保持最小间距,以提供较大的耦合电容;
下面列出从两层板到十层板的叠层：
2.1单面板和双面板的叠层；
对于两层板来说，由于板层数量少，已经不存在叠层的问题。
控制EMI辐射主要从布线和布局来考虑；单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。
造成这种现象的主要原因就是因是信号回路面积过大，不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。
要改善线路的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。
关键信号：
从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。
能够产生较强辐射的信号一般是周期性信号，如时钟或地址的低位信号。
对干扰敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。
单、双层板通常使用在低于10KHz的低频模拟设计中:
1在同一层的电源走线以辐射状走线，并最小化线的长度总和；
2走电源、地线时，相互靠近；在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。
这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射对外界干扰的敏感度。
当信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。
3如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，一线尽量宽些。
这样形成的回路面积等于线路板的厚度乘以信号线的长度。
2.2四层板的叠层；
推荐叠层方式：
2.2.1SIG－GND（PWR）－PWR（GND）－SIG；
2.2.2GND－SIG（PWR）－SIG（PWR）－GND；
对于以上两种叠层设计，潜在的问题是对于传统的1.6mm（62mil）板厚。
层间距将会变得很大，不仅不利于控制阻抗，层间耦合与屏蔽；特别是电源地层之间间距很大，降低了板电容，不利于滤除噪声。
对于第一种方案，通常应用于板上芯片较多的情况。
这种方案可得到较好的SI性能，对于EMI性能来说并不是很好，主要要通过走线与其他细节来控制。
主要注意：
地层放在信号最密集的信号层的相连层，有利于吸收和抑制辐射；增大板面积，体现20H规则。
对于第二种方案，通常应用于板上芯片密度足够低和芯片周围有足够面积（放置所要求的电源覆铜层）的场合。
此种方案PCB的外层均为地层，中间两层均为信号/电源层。
信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低，也可通过外层地屏蔽内层信号辐射。
从EMI控制的角度看，这是现有的最佳4层PCB结构。
主要注意：
中间两层信号、电源混合层间距要拉开，走线方向垂直，避免出现串扰；适当控制板面积，体现20H规则；如果要控制走线阻抗，上述方案要非常小心地将走线布置在电源和接地铺铜岛的下边。
另外，电源或地层上的铺铜之间应尽可能地互连在一起，以确保DC和低频的连接性。
2.3六层板的叠层；
对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑6层板的设计
推荐叠层方式：
2.3.1SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；
对于这种方案，这种叠层方案可得到较好的信号完整性，信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对，每个走线层的阻抗都可较好控制，且两个地层都是能良好的吸收磁力线。
并且在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。
2.3.2GND－SIG－GND－PWR－SIG－GND；
对于这种方案，该种方案只适用于器件密度不是很高的情况，这种叠层具有上面叠层的所有优点，并且这样顶层和底层的地平面比较完整，能作为一个较好的屏蔽层来使用。
需要注意的是电源层要靠近非主元件面的那一层，因为底层的平面会更完整。
因此，EMI性能要比第一种方案好。
小结：
对于六层板的方案,电源层与地层之间的间距应尽量减小，以获得好的电源、地耦合。
但62mil的板厚,层间距虽然得到减小,还是不容易把主电源与地层之间的间距控制得很小。
对比第一种方案与第二种方案，第二种方案成本要大大增加。
因此，我们叠层时通常选择第一种方案。
设计时，遵循20H规则和镜像层规则设计
2.4八层板的叠层；无需注册
八层板通常使用下面三种叠层方式
2.4.1由于差的电磁吸收能力和大的电源阻抗导致这种不是一种好的叠层方式。
它的结构如下：
1Signal1元件面、微带走线层
2Signal2内部微带走线层，较好的走线层（X方向）
3Ground
4Signal3带状线走线层，较好的走线层（Y方向）
5Signal4带状线走线层
6Power
7Signal5内部微带走线层
8Signal6微带走线层
2.4.2是第三种叠层方式的变种，由于增加了参考层，具有较好的EMI性能，各信号层的特性阻抗可以很好的控制
1Signal1元件面、微带走线层，好的走线层
2Ground地层，较好的电磁波吸收能力
3Signal2带状线走线层，好的走线层
4Power电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
5Ground地层
6Signal3带状线走线层，好的走线层
7Power地层，具有较大的电源阻抗
8Signal4微带走线层，好的走线层
2.4.3最佳叠层方式，由于多层地参考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。
1Signal1元件面、微带走线层，好的走线层
2Ground地层，较好的电磁波吸收能力
3Signal2带状线走线层，好的走线层高速下载
4Power电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
5Ground地层
6Signal3带状线走线层，好的走线层
7Ground地层，较好的电磁波吸收能力
8Signal4微带走线层，好的走线层
2.5小结
对于如何选择设计用几层板和用什么方式的叠层，要根据板上信号网络的数量，器件密度，PIN密度，信号的频率，板的大小等许多因素。
对于这些因素我们要综合考虑。
对于信号网络的数量越多，器件密度越大，PIN密度越大，信号的频率越高的设计应尽量采用多层板设计。
为得到好的EMI性能最好保证每个信号层都有自己的参考层。
pcb叠层参考：
2层S1和地，S2和电源
4层S1，地，电源，S2
6层S1，S2，地，电源，S3，S4
6层S1，地，S2，S3，电源，S4
6层S1，电源，地，S2，地，S3
8层S1，S2，地，S3，S4，电源，S5，S6
8层S1，地，S2，地，电源，S3，地，S4
10层S1，地，S2，S3，地，电源，S4，S5，地，S6
10层S1，S2，电源，地，S3，S4，地，电源，S5，S6
高速时钟信号布线
高速时钟信号布线电路在数字电路中占有重要地位，同时时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源。
一个具有2n2上升沿的时钟信号辐射能
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