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1、l 9 9 8 年 l 1月 NO V 1 9 9 8 嚆 叶 恤】计算机工程与科学 COMP UTER ENGI NE ERI NG&S CI ENCE 第 2 0 卷第 4娟 Vo 1 2 O NO 4 7 o-7 高速P C B设计技术 Hi g h-S p e e d P CB De s i g n Te c h n o l o g y I l liC i t ，7 1 O (J c 帅 劬 晖 p (国防手 i 技大 学计 算机学院)l (S e h o o I o f C e mp u t e r S c i e n c e，Na t i o 丑 l un i v e r s i
2、t y 0 f De f e n s e T e e h n o l o g y)摘要高速 P C B已成为数 字系统设计中的主流设计。本文概述 1 P C B设计的发 展趋势及设计流程，详细分析 j影响高速信号传输的 关键 因素，具休介绍 1规则驱动的 P C B设计方法和高速 P C B设计分析技术，介绍 j现代 E DA技术的概况。AB S TRACT Hi g h-s p e e d P CB h a s b e c o me t h e ma i n s t r e a m i n d i g i t a l s y s t e m d e s i g n Th e p a p e
3、r pr e s e n t s a n o v e r v i e w O f t h e t e n d e n c y a n d t h e f l o wc h a r t o f P CB d e s i g n，a n d d i s c u s s e s t h e k e y f a c t o r s o f h i g h s p e e d s i g n a l t r a n s mi s s i o n F i n a l l y，t h e me t h o d o f r u l e d r i v e n d e s i g n a n d t h e t
4、 e c h n o l o g y o f h i g h s p e e d P CB d e s i g n a r e d i s c u s s e d c o n c r e t e l y a n d mo d e r n EDA t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d a s we l 1 关键询高速 P C B设计，信号传糖，规则驱动，E D A。KE Y WORDS h i g h-s p e e d PC B d e s i g n，s i g n a l t r a n s mi s s i o n，r u l e-d r
5、 i v e n，E DA 一、引言 随着计算机系统的不断更新换代，超大规模集成 电路不断朝着集成度更高、芯片更 小的方向发展。计算机主颗的不断提高，以及生产工艺的日趋精密完善，高速 P C B(印 制电路板)成为数字系统设计中的主流设计。一个系统能否达到所期望的高速工作主 频值，在很大程度上取决于 P C B设计。高速P C B设计，已经不仅仅再是 准 生产工艺允许的情况下，用尽量短的敷铜线把器 件互连就算完成；而是要从选择高速器件类型开始，对关键网络的特征和走线方式与长 度进行控制，以及对P C B设计前的整板的预分析和预设置，直到 P C B设计完后的仿真和 。嚣 薯 晶 霁 誉 。昌
6、1年 7 月 生 讲 师，穰 士 现 从 事 计 算 机 图 形 拳、可 视 化 技 术，E D A 戟 伴 工 具 的 开发与应用、高建 P C B 设计与实现技术等方面的研究工作 涌讯地址：4 1 0 0 7 8 朝南长秒国防科技大学计算机学院。dd 怕 s：S c h o f Comp u t e r S c ，N&t 1Un i v Dde meTe e h，Ch a u g s ha，Hu n a ut 1 00 73，P R Ch i n a 7 0 维普资讯 http:/ 后分析，最后达到我们所要设计的要求为止。高速 P C B设计中对高速信号网络的特征与 走线控制的设计技术，已
7、成为高速数字产品成功与否的关键。高速 P CB设计 反映在器件上，就是高频时钟要求我们选择具有更快速度的开关驱动 器件。一个 P C B上的信号是否作为高速信号来处理取决于上升时间、导线长度和传输速 率三种因素，而高速 P C B设计的特点也就在于怎样控制信号传输时间和信号完整性这两 个方面。二、高速 P C B中关键因素分析 高速 印制板的复杂环境使得很难 用一 简单理论和有效的观点来讨论所有的关键 因 素。当导体(印制导线)被看作是有源时，数字脉冲通过导体(印制导线)时，都会有 很多潜在的问题。例如，导体太长或太短都有可能导致时间上的冲突附近信号的能量 也可能耦合到导体(印制导线)的数字脉
8、冲上并减慢其传输速度，这样也会引起 时间上 的冲突和降低信号的完整性；另外，数字脉冲的能量也有可能在导体终端不完全被吸收，并引起振荡反射，从而导致多逻辑门限串扰。总之，要精确描述高速信号传输问题是很 困难 的。另外，在电路中引起某一现象往往是多个原因造成的。也就是说虽然某时在讨论某 个原 因，但在实际的 P CB中始终存在各种因素的作用，并且这些 因素还在不断变化。对 高速信号的传输分析可从时间问题和噪声问题两方面来讨论，时间问题包含互连延时和 时钟不齐。其中，互连延时在系统中是必须限定的脉冲时延，而时钟不齐则是由于时钟 信号延时的不同而产生的。噪声问题包含兰类噪声，一是 由于阻抗不匹配而导致
9、的反射 噪声，二是 由于 电容和 电感耦台而导致串扰的耦台噪声，三是 由于在地层上同时开启驱 动端而引起电压降的开关 噪声，下对这些关键因素逐一分析 互连延时 互连 延 时是指信号从驱动器 件的输出腿经过导体(印制导 线)到接受端所甩的时间。一般在数字 系统中，互连延时占关键 网络延时的 4 0 ，如图 1所示。髓着芯片延时的降低，互连延时 占系统延时的百分 比在增加 在系统延时中，互连延时已经成为 非常关键的因素。因此，正确地预计和控制互连延时来满足关键 网络的时间要求 已是非常重要。互连延时的大小取决于信号传输速率、互连长度和引起上升 图 1 数字 系统 中关键 霸培的 延时分 配 时间拉
10、长的电容性负载。传辖速率直接与印制板材料的介电常数相关。因而，如果用较 低的介电常数的材料时，就要用缩短 导体(印制导线)的长度来弥补。互连延时的降低 总在不断地追求导体(印制导线)短，印制板材料的绝缘常数低，以及管脚电密和电导 小。高速 P C B设计要求仔细考虑网络的拓扑结构并控制导体(印制导线)的长度，以避 免由于互连延时而引起的信号完整性问题。另外，对于时钟不齐，可应用分支的办法来缩短互连延时，但必须仔细考虑分支的 长度，以保证时钟脉冲在 同一时刻传到各负载端。71 维普资讯 http:/ 反射噪声 当能量通过导体并且在导体 的终端不被吸收，这样就会有部分能量披反射回导体，从 而产生反
11、射 噪声。在一般(低速)系统中，反射能量会被 向前运动的脉冲吸收 虽然反 射能量会减慢向前运动的脉冲速度，但它仍可为逻辑跃变提供一个有效的信号电平。在 高速系统中，反射噪声导致振铃，这样就有可能引起无效触发或延迟触发，并使逻辑状 态的不定改变 反射噪声可以通过使导体(印制导线)的长度短于 1 2上升时间的传输长度，或在 导体(印制导线)的终端使输入电导与特 征电导相匹配来得 以控制。另外，也可以用在 导体(印制导线)终端接入匹配电阻的方法来控制信号反射，匹配电阻的接入有并联和 串联两种方式。耦合噪声(串扰)所谓耦合噪声(串扰)就是指相邻(或相近)的导体间不应有的能量耦合。在 P C B 中，典
12、型的串扰是发生在同一层导体(印制导线)间，但也有发生在相邻层的导体(印 制导线)间。串扰 引起在第一个导体上的信号(能量)损失和在第二个导体上的信号干 扰，串扰的大小取决于源信号的频率(或上升时间)、导体(印制导线)的几何形状、与 邻近导体的距离，以及网络的拓扑结构(包括终端负载)。P CB中有两类串扰 t电容性和电感性 串扰。电容性耦合是 由于信号 电压与耦合电流 在两个方向上，电感性耦合是由于信号电源与耦合电压在同一方向上。此外，信号通过 导体时将在相邻的导体上引起两类不同的噪声信号，前向耦台信号和反向耦合信号。总之，两个导体(印制导线)的耦台能量的大小正比于两导体(印制 导线)的平行 走
13、线长度，反 比于两导体的间距。因而 串扰的减少可以通过限制平行线段长度，使导 体间距离更远，及采取对关键 网络隔离的办法实现。串扰的减少也可通过应用低 电导材 料的导体(印制导线)实现。开关噪声 当 P C B上多个驱动端 同时开启时，在参考平面上(地层)就会产生 电压降或 电源滞 后(羞)，因为某些器件的接地腿对 这类噪声非常敏感。所 以，开关噪声通常也稚地弹噪 声(g r o u n d b o u n c e)。地平面的电流是通过每个器件的地腿流入每个 I c的。由于整个地 层联接路径的不完美(由于有很多孔)从而存在一定的电阻，所以，当电流流到一个器 件腿，所导致的电压降(由于电阻存在)
14、就合影响率应有稳定输出的驱动端和连接到接 收端的输入。开关噪声增加了互连延时，并可能引起触发失败。开关 噪声与 电流脉冲的大小成正 比，与脉冲的上升时间戚反比。因而，上升时间越快，开关 噪声越多。同样，参考平面(地层)上孔越多，也就会有更多的屯阻来使电流改变，从而引起更多的开关噪声。通过 放置去耦电容并尽可能地靠近器件龟源腿和在P C B四周放置大容量的电容，来阻止过分 的电压降和电源(功率)滞后，也可用更宽的走线和具有更宽误差容限的驱动器件来降 低开关噪声的影响。特性阻抗 当信号传输到导体终端时，一部分信号就会反弹回源端，这个反弹信号的大小取决 7 2 维普资讯 http:/ 于导体的特性阻
15、抗和导体终端器件腿阻抗的匹配程度。反射信号传输到源端，由于源端 的阻抗不匹配，又会引起另一个反射信号。这种振荡形式持续下去直到最后稳定在直流 电平上。当反射很小时，这种反射不会引起什么致命问题；或者在低速系统中能在上升 时间内吸收反射，也同样不会引起什么致命问题。但在高速系统 中，控制导体特性阻抗与驱动器阻抗 匹配是很重要的，不同逻辑器件 的封装在同一导体上具有不同的阻抗。因此，特性阻抗的匹配考虑就包括选择封装。此 外，当导体和器件之间的阻抗差别不可避免时，就必须应用终端器(匹配电阻)来 完成 阻抗匹配。另外，沿着一个导体维持一个恒定的阻抗，就需要在导体和参考平面之间有一个恒 定的几何关 系，
16、它包括与一个参考平面的距离，走线宽度和厚度等。导体的走线层的变 化表现 为阻抗变化，同样，走线 中的过孔、焊盘、弯曲和 T型接头等都表现为阻抗变化，称为不连续性。都增加了信号反射，沿导体可 以看作分布很多电导和 电容。在控制特性 阻抗的环境中，导体的电导性和 电容性是耦台到一个参考面的。因此，在 P C B上的导体(e g 制导体)可以分成不同段来构造传输线网络模型。传输线理论 在理想 电路中，信号从驱动端达到接收端没有任何变化。而在现实世界中，沿着导 体到器件腿传输的信号就会产生幅度损失和信号变形，信号幅度损失(也称衰减)是由 于材料属性 引起的。信号变形(也称噪声)是 由于导体的电导性及其
17、周围环境引起的。传输线理论认为电阻、电容和 电导总是沿导体(印制导线)分布的，而不是集中的。一个导体(印制导线)是否要 用传输线来模拟，取决 于导体的特性 电阻、特性 电容和特 性 电导对信号完整性影响的程度。一般来说，当导体(印制导线)比驱动器上升时间的 一半还长的时候，即当互连延时大于 1 2的上升时 间时，就应该把导体作为传输线来处 理。三、高速 P C B的设计技术 现代 电子产品的功能设计、逻辑设计和电路设计 以及在芯片或电路基板上实现复杂 功能的物理结构设计均是高超、复杂的技术。通过 应用现代 E D A(C AD)工具，才使电 子工程师能从容地完成高难度的设计任务，举重若轻，不断
18、推出更优质、更价廉的新产 品。所谓高速 P C B设计技术，就是要在分析 影响高速传输的关键因素基础上，制定出印 制板设计约束与规则，利用 E D A(C A D)工具来实现高速 P C B设计。规则驱动设计 现代 P C B设计一般采用规则驱动设计方法。设计 工程师可以把设计中的重要 电特性 考虑和设计意向，诸如关键的定时通道、区域规划和高速网络等特性标注在逻辑图上，这 些特性信息将精确反应到 P C B设计环境中，指导 P C B设计工具 自动地确保这些规范被 正确无误地实现 另外，也可以在 P C B设计前对约束规则集进行设置，将导线的线宽以及线宽的最小 7 3 维普资讯 http:/
19、值和最大值定义、各类元素间的间距、布线方式(星形布线或链式布线、布线顺序、过 孔以及埋孔和盲孔定义等)，高速电路布线规则(线间平行长度、信号屏蔽、布线延时、分布 电容和对地电阻等参数定义)、P C B特性参数等 内容进行设置，设置完成后这些约束 规则也将在 P C B设计中，对布局和布线进行约束设计，以保证快速准确地完成高速 电路 的设计。一般，P C B设计约束规则集可分为空间规则、物理规则和 电气规则三类。空间规则 用来约束控制不同或相 同网络间空间距离，如走线与通孔间距等。物理规则用来约束控 制网络的物理结构，如最细走线宽度和允许走线层等 电气规则用来约束控制 网络的电 气性能，如最小传
20、输延时和网络间最大平行长度等。正确使 用 E DA工具 进入九十年代以来，电子技术高速发展，新技术、新工艺的不断涌现，使得 E DA (E l e c t r o n i c D e s i g n Au t o ma t i o n)的范围在不断扩大，技术也在不断地发展。不仅有全线 产品的 E D A厂家在致力于 P C B设计和分析领域 的研究与发展，而且还有不少专业性的 E DA 厂家更是专心于 P C B设计和分析领域的研究与发展。E DA是一个环节众多、技术 全面的多文化世界，各个 E DA厂家在各 自的技术领域中具有最先进的技术和 软件产品。因此，各 E DA厂家的 E DA软件工
21、具就各具其 自己的特色或特点，井占据着各 自的市场 份额。通常，E DA工具可分为工作站级和 P C机级两类。如果说工作站级的 E DA工具是“贵族化 的设计工具，那么，随着 电子技术的飞速发展，P C机的性 能不断提高，现在 已经使“贵族化 的设计在 P C机上实现。比较典型的 P CB设计工具有：C AD E NC E公 司的 Al l e g r o、ME NT 0RGR AP HI C S公司的B o a r d s t a t i o n 5 0 0和 I n t e g r a s t a t i o n、P A D S 公司的 P o we r P C B、P R OTE L公司
22、的 P r o t e l f o r wi n d o ws 等等。正确使用E D A工具就要求 P C B设计者不仅能够了解所用E D A工具各模块的功能 和相互关系，而且要能熟练地使用各个模块的功能和检查分析手段，熟知各个模块的参 数设置和内部数据结构及算法，尤其要熟知布局和布线算法 这样才能合理分配系统开 销，用最短的时间完成高难度的P C B设计。另外，P C B设计者还应该熟知所使用的E D A 工具的后处理功能和 C AM 输出功能，只有这样才能正确产生 P C B制造所需的文件和数 据，以便自动地完成 P C B生产和装配等工作。不管应用哪个 E DA设计工具，这个 E DA工
23、具都应该是 自动化、智能化程度高，功 能丰富完善，界面友好，操作灵活方便 E DA本身的开放性和数据交换性好，有丰富的 分析工具和检查手段。此外，先进的 E D A技术还应该是把用以完成各设计阶段任务的 E DA模块或工具，利用“框架结构，无缝地集成在一起，梅成一个从设计构思开始，包 括模拟、验证、布局、布线、后分析直到生产加工等一系列的开放式产品设计系统 设计正确性检查与电气性能分析 尽管现代 E D A工具(如 A l l e g r o)都有在线规则检查的功能，但为了避免由于P C B 设计过程中(如交互布线)可能引人 的错误，一般在P C B的设计完成后，都要进行全面 的设计规则检查(
24、D R C)，看看在设计中是否有与规则和约束相冲突的地方，以保证P C B 设计满足信号完整性、可靠性、可测性和可制造性 的要求。74 维普资讯 http:/ 电气性能分析耍求在 P c B设计过程中或设计完成后，对P C B的设计(尤其是高速 P C B设计)进行电特性的检验和仿真，以防止在 P C B设计 中存在不满足电气性能要求的 地方 电气性能分析包括参数检查、串扰分析、信号完整性分析和电磁兼容性分析。后处理技术 通 常，后处理技术包括平滑处理技术和 生产装配数据产生技术。平滑处理就是在 P C B设计完成后，对 P C B整板进行消除多余过孔和连线平整等的光滑处理 这样不仅可 以改进
25、 P C B设计的性能和可制造性，而且还可以降低耗费，增强可靠性和美观性。一般 讲，平滑处理包括：消除多余过孔、连线平滑、连线对准两焊盘中心、改善连 线入盘方 向、粗化连线、转角弧度化，以及泪滴处理等等。生产装配数据的产生包括光绘、-t r t 和自动安敬等效据的产生。光绘数据就是根据 生产工 艺的要求，对所设计的 P C B进行处理，产生出各走线层正片或负片的 G e r b e r格式 数据文件，以及丝印和阻焊 的 G e r b e r 格式数据文件等，以便后序进行光绘照相和 P CB生 产 打孔数据就是要求按照P C B生产中数控机床的数据格式，生产出金属化、非金属化 的通孔 埋孔和盲
26、孔的钻孔数据文件。自动安放数据就是要求按照 P C B装配中自动贴片 机 的数据格式，产生出包括所有 S MD器件的自动安放数据文件。一般，现代 E D A 工具 中都有 自动产生光绘数据、打孔数据和 自动贴井数据的功能。四、结束语 P C B设计是一项工程性很强技术复杂的设计技术，它要求设计者不仅要有扎实的电 路理论知识，而且还要有丰富的实际设计经验 尤其是在高速 P C B设计中，当严格的信 号传输试验结果难以在 P C B上进行工程实现时，适量的工程折衷就不可避免，这时设计 者的实际设计经验在某种程度上就已成为高速 P CB设计成败的关键 另外，由于 P C B的 设计千差万别，以及VL
27、 S I 器件模拟仿真库难以建立，有时不可能做到系统(P C B)级的模 拟与仿真。那么，设计者的电路理论知识和实际设计经验就决定着高速 P C B设计的成功 与否 参考文献 1 羽田业 数字暴境设计自动化 北京 电子工业出重社,1 9 9 1 2 C h l d e s t e r S e t a I Ob e t Dd 啪Au t o E o u t i a g P d n c e d C i u k De B n，1 9 9 4 l l l 1 3 3 Bo a r d St m t mn 5 0 0 f Ne w U e r M e n t o r Gr a p hle a Co r
28、p，1 99 5 4 ca nd e a c e U靶r Gu i de ca n d e e De s i g n B 懈 n 0，l n c 1 9 9 2 5 李思昆 脒吉华 数字系统计算机辅助设计原理与方收 长沙：国防科技大学计算机研究所 1 9 9 3 6 Al l e g r o-Pr la a t e dCi r c u i t Bo a r dDe s i gn S yB mVa l i d L 0g ie S y s t e m I n 1 9 8 8 7 P o r P C B印制电路扳设计幕境 P A D S(A J i a)C o，L t1 1 9 9 6 7 5 维普资讯 http:/