信號完整性培訓(xùn) 課件

高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號完整性安琪中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室2005年4月9日中國科大快電子學(xué)安琪1高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號完整性安琪中國科大快電子學(xué)第二講：串?dāng)_與多層PCB板分層考慮2-1“地”概念2-2信號電流的返回2-3地平面上信號返回電流的串?dāng)_（Crosstalk）2-4非理想的信號返回電流通道2-5保護(hù)線2-6近端和遠(yuǎn)端的串?dāng)_2-7多層PCB板分層設(shè)計(jì)中國科大快電子學(xué)安琪2第二講：串?dāng)_與多層PCB板分層考慮2-1“地”概念中國科2-1“地”概念電子學(xué)中“地”的解釋，不同的人可以有不同的說法。

對于數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)人員來說，它涉及到對于數(shù)字邏輯信號的一個(gè)參考電平；

對于系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，它可以是連接電路的金屬外殼或機(jī)箱；

對于一個(gè)電工來說，它指的是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第三根“安全”地線。

然而，從一般的意義上講，我們可以將“地”的概念從兩個(gè)方面來認(rèn)識(shí)：

安全地（SafetyGround）。

信號的零電位參考（0VReferenceGround）。中國科大快電子學(xué)安琪32-1“地”概念電子學(xué)中“地”的解釋，不同的人可以有兩個(gè)定義

安全地若一個(gè)“地”通過一個(gè)低阻抗通道連接到大地（Earth）上，我們稱這個(gè)地為安全地。

信號的零電平參考在電路系統(tǒng)中，信號“地”通常被定義為一個(gè)等電位的參考點(diǎn)，一般是采用零電位參考點(diǎn)，所以信號“地”被稱為零電位參考，或者說零電平參考。一個(gè)基本的概念往往被忽視，這就是電路中信號電流需要一個(gè)返回通道，以返回到它的源頭，即出發(fā)點(diǎn)。因此，當(dāng)我們討論這個(gè)問題時(shí)，我們必須牢記兩個(gè)基本概念：只要電流從一個(gè)有限值的阻抗上流過，在這個(gè)阻抗上就會(huì)產(chǎn)生電壓，這是由歐姆定律所描述的?，F(xiàn)實(shí)世界里很難找到一個(gè)絕對的“零電位”。哪怕電壓非常小，可能是在的量級，但它也是存在的。信號電流必須返回到它的源頭。中國科大快電子學(xué)安琪4兩個(gè)定義安全地中國科大快電子學(xué)安琪4信號電流的低阻抗回流通道從高速電路的角度出發(fā)，對于信號“地”的一個(gè)更好的定義是：信號電流返回到它的源頭的低阻抗通道。有人甚至說，忘掉“地”這個(gè)術(shù)語，考慮改為信號的返回通道（Forgettheword“Ground”,think“ReturnPath”）。在這個(gè)范疇里，我們更關(guān)心的是電流信號，而不是電壓信號。如果兩個(gè)電路點(diǎn)存在著一定的阻抗，并有電壓差存在，則根據(jù)歐姆定律，一定會(huì)有電流流過。而且，地線上的電流決定了兩個(gè)電路之間耦合的磁場大小。這是因?yàn)閮蓚€(gè)電路之間閉環(huán)回路的存在，電流在這個(gè)環(huán)中的流動(dòng)導(dǎo)致了磁場的產(chǎn)生。電子工程師必須認(rèn)真對待信號電流返回的通道，考慮電流從哪里流過？在這些思考和研究中，我們應(yīng)當(dāng)牢記一個(gè)基本的事實(shí)：電流流過的任何導(dǎo)體上都會(huì)有電壓降的存在。從這個(gè)意義上講，“信號的零電平參考”和“信號電流的低阻抗回流通道”這兩個(gè)概念是緊密相關(guān)的，應(yīng)該說，是從不同的角度來看待同一個(gè)問題。前者從電壓的角度，后者從電流的角度，對于高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，我們更喜歡使用后者，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮信號電流的低阻抗回流通道。中國科大快電子學(xué)安琪5信號電流的低阻抗回流通道從高速電路的角度出發(fā)，對于信號低速電路的“最小電阻”原則

在低速電路中，信號電流的返回通道遵循著最小電阻原則，如圖2-3-1所示。驅(qū)動(dòng)門A的輸出信號沿著板上的PCB連線傳輸?shù)碾娮鐱點(diǎn)，然后由地面板返回到驅(qū)動(dòng)門A。返回的線路由圖中虛線標(biāo)出。每一根弧線上的電流密度取決于它的電導(dǎo)，或者說是電阻。2-2信號電流的返回

圖2-2-1低頻信號沿最小電阻通道返回

中國科大快電子學(xué)安琪6低速電路的“最小電阻”原則2-2信號電流的返回高速數(shù)字電路的“最小電感”原則在高速電路中，電感的阻抗影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通道的電阻，信號電流的返回通道遵循著最小電感原則，而不是低速電路中的最小電阻原則。我們知道，電路中的電感與信號流動(dòng)的環(huán)面積成正比。當(dāng)其它因素相同時(shí)，環(huán)面積越大，電感也越大。因此，當(dāng)高速的信號電流沿著信號連線的垂直下方的地平面板上返回時(shí)，其形成的電流環(huán)面積最小，也就是說電感最小。這樣的返回通道就是所謂的最小電感通道，如下圖所示。圖2-2-2高頻信號沿最小電感通道返回

中國科大快電子學(xué)安琪7高速數(shù)字電路的“最小電感”原則在高速電路中，電感的阻返回電流的密度分布

圖3-2-3給出了一個(gè)典型的PCB板高頻信號連線和它的返回電流密度分布的橫截面。在信號連線的垂直下方的電流密度最大，并且在其兩邊隨距離迅速下降。圖3-2-3信號連線下方的返回電流密度分布

中國科大快電子學(xué)安琪8返回電流的密度分布圖3-2-3給出了一個(gè)典型的PC返回電流的密度分布公式距離信號連線中心點(diǎn)為D處的電流密度，可以用下式進(jìn)行計(jì)算。該式一個(gè)近似公式。（3-2-1）

這里：

I0：總的信號電流，單位為安培（A）。H：信號連線與地面板之間的距離，單位為英寸（in）。i(D)：返回電流的電流密度，單位為安培/英寸（A/in）。上式表明返回電流的電流密度分布平衡了兩個(gè)相反的趨勢:

電流越強(qiáng)（電流密度越大）的地方，感應(yīng)信號越大。即：感應(yīng)信號正比于流過的電流。如一根細(xì)導(dǎo)線的電感應(yīng)比一個(gè)平板導(dǎo)體的電感應(yīng)肯定要大；離信號連線越遠(yuǎn)的地方，因?yàn)樾盘栯娏髁鞒龊头祷匦纬傻沫h(huán)也越大，電感增加。即：電感正比于電流環(huán)的面積，感應(yīng)信號也正比于電流環(huán)的面積。在這兩種相反的趨勢中，電流密度的衰減更快，因?yàn)樗且跃嚯xD的平方成反比的。

上式表述的返回電流密度分布使信號電流流出和返回形成的環(huán)電感減少到最小，說明高頻信號沿最小電感通道返回。同時(shí)也說明這時(shí)在信號線周圍的磁場最小。中國科大快電子學(xué)安琪9返回電流的密度分布公式距離信號連線中心點(diǎn)為D處的電流要點(diǎn)高速電流沿最小電感（最小阻抗）通道返回。返回電流在信號連線的垂直下方的地平面通道返回，其強(qiáng)度隨著偏離信號連線的中心距離的平方而迅速下降。。中國科大快電子學(xué)安琪10要點(diǎn)高速電流沿最小電感（最小阻抗）通道返回。中國科大快2-3地平面上信號返回電流的串?dāng)_（Crosstalk）圖3-3-1兩個(gè)信號之間由于返回電流的分布帶來的串?dāng)_兩個(gè)導(dǎo)體之間的串?dāng)_取決于它們之間的互感和互容。在數(shù)字系統(tǒng)中，通常感性串?dāng)_要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于容性串?dāng)_。因此，我們集中討論感性耦合機(jī)制。

我們知道，有電流就會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場的存在就會(huì)在其范圍內(nèi)的其它信號連線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小正比于與驅(qū)動(dòng)信號的變化率。當(dāng)信號的上升時(shí)間很小時(shí)，感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲電壓就會(huì)顯著增加。中國科大快電子學(xué)安琪112-3地平面上信號返回電流的串?dāng)_（Crosstalk）圖互感串?dāng)_電壓

如上節(jié)所述，返回電流的密度隨著偏離信號連線的中心距離的平方而迅速下降，其伴隨的磁場強(qiáng)度也應(yīng)按照同樣的規(guī)律迅速下降。因而，我們可以期待由此產(chǎn)生的互感串?dāng)_電壓也遵循同樣的規(guī)律。如上圖所示，當(dāng)兩個(gè)信號連線之間的距離增加時(shí)，一個(gè)信號連線上的信號通過互感對另一個(gè)連線產(chǎn)生的串?dāng)_電壓將迅速下降，可以用下式表示它們之間的規(guī)律。（3-3-1）這里我們將串?dāng)_表示為所測量到的噪聲電壓與驅(qū)動(dòng)信號階躍幅度的一個(gè)比值。系數(shù)K總是要小于1，它的大小取決于信號的上升時(shí)間和相互干擾的連線的長度。中國科大快電子學(xué)安琪12互感串?dāng)_電壓如上節(jié)所述，返回電流的密度隨著偏離信號例子：互感串?dāng)_實(shí)驗(yàn)我們可以用一個(gè)簡單的試驗(yàn)來檢驗(yàn)以上的假設(shè)，圖3-3-2給出了試驗(yàn)裝置的示意圖。這是一個(gè)雙層PCB板，兩根平行PCB連線的長度是26in，相互的中心間距是0.080in。另一層PCB覆銅用作為地面層。按照式（3-3-1）的表述，當(dāng)系數(shù)K一定時(shí)，串?dāng)_電壓的大小取決于兩PCB連線之間的距離D與信號線與地平面板之間的距離H的比值：D/H。比值越大，串?dāng)_越小，反之依然。在這個(gè)試驗(yàn)中，我們用改變信號線與地平面板之間的距離H來改變這個(gè)比值。

驅(qū)動(dòng)門的輸入為一個(gè)3.5V的負(fù)階躍電壓信號，則其輸出為一個(gè)正的階躍電壓信號，然后輸入到PCB連線A-B上。我們從PCB連線C-D的D端處檢測連線C-D耦合的噪聲電壓。圖3-3-2互感串?dāng)_試驗(yàn)

中國科大快電子學(xué)安琪13例子：互感串?dāng)_實(shí)驗(yàn)我們可以用一個(gè)簡單的試驗(yàn)來檢驗(yàn)以上測試波形圖3-3-3給出了測試結(jié)果。圖3-4-3的上半部為驅(qū)動(dòng)門的輸出端的階躍電壓信號，下半部是從D端處檢測到的噪聲電壓波形。改變信號線與地平面板之間的距離H時(shí)，電壓幅度也不同，H值越大，比值D/H越小，電壓幅度也越大。這時(shí)符合式（3-3-1）的。H為無窮大是沒有地平面板的情形。同樣，當(dāng)我們固定信號線與地平面板之間的距離H，通過改變兩PCB連線之間的距離D，也可以改變比值D/H。D越大，比值D/H越大，在D端處檢測到的噪聲電壓波也就越小，即：串?dāng)_越小。反之依然。圖3-3-3互感串?dāng)_試驗(yàn)的串?dāng)_信號

中國科大快電子學(xué)安琪14測試波形圖3-3-3給出了測試結(jié)果。圖3-4-3的上要點(diǎn)信號的返回電流產(chǎn)生的磁場會(huì)在其它電路的連線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在相鄰的電路連線上感應(yīng)的噪聲電壓隨著兩線的間距的平方迅速減少。中國科大快電子學(xué)安琪15要點(diǎn)信號的返回電流產(chǎn)生的磁場會(huì)在其它電路的連線上產(chǎn)生中國2-4非理想的信號返回電流通道

我們知道，高速電路中，信號電流沿最小電感通道返回，即：返回電流在信號連線的垂直下方的地平面通道返回。在實(shí)際的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這一理想的最小電感通道可能由于某種原因被破壞，或者本來返回通道就不是在一個(gè)單一的地平面上。下面我們討論幾個(gè)典型的情況。一.地平面狹縫（GroundSlot）圖3-4-1中顯示的地平面狹縫例子是高速電路設(shè)計(jì)中最常見的一個(gè)PCB板設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。如圖所示：邏輯門電路的輸出信號從A傳輸?shù)紹，然后從地平面返回。由于地平面的A-B之間有一個(gè)長度為D的狹縫，返回電流就不能沿最小電感通道（信號連線A-B的垂直下方的低平面通道）返回。很少一部分返回電流會(huì)經(jīng)狹縫間的離散電容通過，而大部分電流只能繞過狹縫，沿圖中狹縫兩側(cè)的虛線返回。這使得電流環(huán)面積大大增加，從而增加了回路電感。圖3-4-1地平面上的狹縫引起串?dāng)_中國科大快電子學(xué)安琪162-4非理想的信號返回電流通道我們知道，1.地平面狹縫對電路的影響地平面狹縫使電流環(huán)面積大大增加，從而增加了回路電感，對高速電路的影響是兩方面的：

對原驅(qū)動(dòng)信號的影響當(dāng)信號的返回通道的電子學(xué)長度（取決于狹縫的長度）與信號的前沿相比較較短時(shí)，狹縫的作用相當(dāng)于一個(gè)信號通道中的一個(gè)串聯(lián)電感。這個(gè)額外的電感將濾去信號前沿的一些高頻成分，使信號變慢。如下圖a中的第一個(gè)波形。當(dāng)狹縫的長度較長，即信號的返回通道的電子學(xué)長度比信號的上升或下降時(shí)間更長時(shí)，信號沿上會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階。臺(tái)階的長度與狹縫的長度呈正比。狹縫越長，臺(tái)階也越長，如下圖a中的右邊的兩個(gè)波形所示。另外，臺(tái)階的高低則取決于狹縫的寬度（W）。狹縫越寬，狹縫的離散電容越小，通過離散電容耦合的返回電流部分也就越?。↖=Cgap(dV/dt)），臺(tái)階也就越低，如下圖b所示。圖3-4-2地平面狹縫對信號前沿的影響ab中國科大快電子學(xué)安琪171.地平面狹縫對電路的影響地平面狹縫使電流環(huán)增加電路中的串繞狹縫引起的非理想返回通道大大增加了穿過同一條狹縫的信號間的串繞。圖3-5-3給出的TDR測試結(jié)果展示了一個(gè)狹縫串繞的例子。圖中信號線和被干擾的無源線之間的間距是1.4英寸，按照前面討論的地平面上信號返回電流的串?dāng)_分析和式（3-3-1），兩線間的間距相對于信號連線與地平面的間距（H）很大，比值D/H足夠大，應(yīng)該沒有大的串繞。但是由于狹縫的存在，信號的電流環(huán)面積大大增加，將無源線也包括在其磁場范圍內(nèi)，從而引起了較大的串繞。如圖3-4-3的左上圖所示：盡管兩線間的距離大于一個(gè)英寸，還是有大約15%的驅(qū)動(dòng)信號能量耦合到無源線上。圖3-4-3的左下圖則給出了驅(qū)動(dòng)信號前沿隨狹縫長度變長的變化情況，狹縫越長，信號的前沿越慢，并且會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階。這與前面的討論是一致的。圖3-4-3穿過同一個(gè)狹縫上信號線之間的耦合噪聲

中國科大快電子學(xué)安琪18增加電路中的串繞狹縫引起的非理想返回通道大大增加2.產(chǎn)生地平面狹縫的原因產(chǎn)生地平面狹縫的原因主要有以下幾種：地平面層上布信號線當(dāng)信號層的布線遇到困難，PCB板設(shè)計(jì)者會(huì)在地平面層上布上少量信號線。設(shè)計(jì)者往往認(rèn)為很少的幾根連線，無傷大雅，不會(huì)破壞地平面的完整性。對低速電路，我們或許可以這樣認(rèn)為；但對于高速電路，這就犯了大忌。信號線圖3-4-4地平面上信號線引起的狹縫地平面中國科大快電子學(xué)安琪192.產(chǎn)生地平面狹縫的原因產(chǎn)生地平面狹縫的原較長的接插件（Connector）隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，大量的I/O促使在電路板上使用管腳眾多而密集的接插件。當(dāng)穿孔（Through-Hole）接插件各管腳的焊盤（Pad）和反焊盤（Anti-Pad，即：地屏蔽孔）過大時(shí)，反焊盤相互覆蓋使地平面上形成狹縫，如圖3-4-5左邊較大的反焊盤的情形。這一問題在背板設(shè)計(jì)上尤其嚴(yán)重。圖3-4-5右邊較小的反焊盤則避免了這個(gè)問題，反焊盤之間仍保留了地平面上的敷銅，使信號的返回電流可以穿過。圖3-4-6是一個(gè)PCB上連接器的實(shí)例。圖3-4-6反焊盤過大的連接器（PIN間距為100mil，焊盤為PAD70CIR110）圖3-4-5接插件引起的狹縫

中國科大快電子學(xué)安琪20較長的接插件（Connector）隨著系統(tǒng)的復(fù)雜

電源層或地平面層上的分割（SplitPlanes）圖3-4-7是一個(gè)PCB板上電源層或地平面層上分割的實(shí)例。分割處圖3-4-7電源層或地平面層上的分割引起的狹縫電源層或地平面層中國科大快電子學(xué)安琪21電源層或地平面層上的分割（SplitPlanes）圖3連續(xù)的密集過孔連續(xù)的密集過孔的問題類似于接插件。當(dāng)各過孔的反焊盤過大時(shí)，反焊盤相互覆蓋使地平面上形成狹縫。如圖3-4-8所示。這是一個(gè)PCB板步線的實(shí)例，紅色和淺藍(lán)色分別為兩個(gè)不同信號層上的連線，由深藍(lán)色的過孔連接起來，右圖的綠色表示是地平面層。可以看出，由于過孔過于密集，地平面上的反焊盤已相互覆蓋，產(chǎn)生了一個(gè)狹縫。圖3-4-8連續(xù)的密集過孔形成的地平面狹縫

電源層或地平面層中國科大快電子學(xué)安琪22連續(xù)的密集過孔連續(xù)的密集過孔的問題類似于接插件。3．地平面狹縫電感和串?dāng)_的估算互感如圖3-4-1所示，由于地平面狹縫，信號通道A-B的返回電流不得不繞過地平面狹縫，產(chǎn)生一個(gè)較大的電流環(huán)，明顯地增加了環(huán)路電感。這一繞道的電流將與信號通道C-D的返回電流重疊在一起，導(dǎo)致在它們之間產(chǎn)生較大的互感和串?dāng)_。而且，即使兩個(gè)信號通道相隔較遠(yuǎn)，串?dāng)_仍然很大，如圖5-4-3所示。與信號通道串聯(lián)的等效電感可以用式（3-4-1）計(jì)算：

（3-4-1）

這里：L：電感，單位為nH。D：低平面狹縫的長度，單位為英寸（in）。W：信號連線的寬度，單位為英寸（in）。

地平面狹縫的寬度對回路電感的大小幾乎沒有任何影響。

如果信號連線與地平面狹縫的一端靠近，等效電感將會(huì)減少。信號連線越靠近地平面狹縫的一端，等效電感就越小。另一方面，當(dāng)?shù)仄矫妾M縫很短，甚至比信號連線的寬度還短時(shí)，我們可以認(rèn)為沒有地平面狹縫電感存在。中國科大快電子學(xué)安琪233．地平面狹縫電感和串?dāng)_的估算互感與信號通道串聯(lián)的上升時(shí)間如前所述，地平面狹縫電感將導(dǎo)致信號的上升時(shí)間變慢。其變慢的程度不僅取決于電感（L）的大小，還取決于信號連線的端接情況。最差的情況是一條很長的信號連線，其串聯(lián)的等效電感一端的信號源內(nèi)阻等于Z0，這相當(dāng)于一個(gè)L/R濾波器。L/R濾波器的上升時(shí)間由式（3-4-2）給出：

（3-4-2）

根據(jù)上升時(shí)間的平方和相加原理，信號經(jīng)過L/R濾波器后的上升時(shí)間為：

若信號連線是一條短線，驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的容性負(fù)載，這相當(dāng)于一個(gè)LC濾波器，其上升時(shí)間由式（3-5-4）給出：

（3-4-3）

（3-4-4）

用類似于式（3-4-3）的方法，信號經(jīng)過LC濾波器后的上升時(shí)間也可以算出。中國科大快電子學(xué)安琪24上升時(shí)間如前所述，地平面狹縫電感將導(dǎo)致信號的上升LC濾波器的Q值（3-4-5）

LC濾波器這樣的電路可能會(huì)產(chǎn)生振鈴，這取決于電路的Q值。Q值不僅與等效的串聯(lián)電感L，負(fù)載電容C的數(shù)值有關(guān)，也與驅(qū)動(dòng)信號的源內(nèi)阻Rs相關(guān)。Q值的大小可以由式（3-4-5）來計(jì)算。當(dāng)Q值大于1時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生振鈴；當(dāng)Q值接近1時(shí)，電路的上升時(shí)間大小由式（3-4-4）決定；當(dāng)Q值小于1時(shí)，電路的上升時(shí)間比式（3-4-4）描述的還慢。

如果PCB板上的兩條信號連線經(jīng)過同一條地平面狹縫，并且相互的距離很近，像圖3-4-1中的信號連線A-B和C-D那樣，兩條信號線之間會(huì)存在著較大的互感。互感的大小也是用公式（3-4-1）來計(jì)算。如果圖3-4-1中的信號連線C-D靠近地平面狹縫的一端，則兩線之間的互感將隨著信號連線C-D與地平面狹縫的一端的距離減小而線性減小。中國科大快電子學(xué)安琪25LC濾波器的Q值（3-4-5）LC濾波器串?dāng)_的計(jì)算（3-4-6）若已知兩線之間的互感和驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流變化率，我們可以求出兩線之間的串?dāng)_電壓。公式如下：

對于長線，電流變化率I等于驅(qū)動(dòng)電壓V除于線的特性阻抗Z0。因此，我們有：（3-4-7）對于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載C的短線，驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流變化率I為負(fù)載電容的電流變化率。我們有：（3-4-8）中國科大快電子學(xué)安琪26串?dāng)_的計(jì)算（3-4-6）若已知兩線之間的互感和驅(qū)4．解決地平面狹縫問題的途徑

盡量避免電源和地面的分割

考慮PCB的分層設(shè)計(jì)（Stack-Up），盡量避免電源和地面的分割，各電源和地面均采用整板的PCB板，以盡可能地消除跨越狹縫的信號線。

盡可能讓低速信號和靜態(tài)信號跨越狹縫

在PCB布局時(shí)，若狹縫是不可避免，盡可能讓低速信號和靜態(tài)信號跨越狹縫，避免高速信號跨越狹縫。

當(dāng)兩個(gè)電源必須采用分割方法設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)被分割的板盡可能靠近，并在緊靠被分割的板下放另一個(gè)完整的PCB板，通常是地面層。這時(shí)，板間的電容會(huì)形成高速信號的返回通道，允許返回電流通過被分割的兩邊。如圖3-4-9所示。

圖3-4-9板間的電容形成高速信號的返回通道

板間電容中國科大快電子學(xué)安琪274．解決地平面狹縫問題的途徑盡量避免電源和地面的分割不在地面或電源層板布線。

Through-Hole類型的連接器對于較長的連接器（Through-Hole類型），使用較小的焊盤和反焊盤可保留地平面上孔間的敷銅，避免了產(chǎn)生狹縫，使信號的返回電流可以穿過連接器處的地平面，如圖3-4-5中右邊的連接器。圖3-4-10是一個(gè)PCB板上的實(shí)例，它是對圖3-4-6PCB板的修正。左圖是連接器的焊盤示意圖，右圖則顯示了地平面層的情況，綠色表示的是地平面層，可以看到，適當(dāng)?shù)暮副P和反焊盤尺寸可保留地平面上孔之間的敷銅，保證地平面的連續(xù)。

圖3-4-10改善的連接器PCB板設(shè)計(jì)地平面層孔之間的地平面敷銅中國科大快電子學(xué)安琪28不在地面或電源層板布線。Through-Hole類調(diào)整過于密集的過孔調(diào)整過于密集的過孔，使過孔之間的間隙增大，以至于保留地平面上孔之間的敷銅，避生狹縫，使信號的返回電流可以穿過這些過孔。圖5-4-11是一個(gè)PCB板步線的實(shí)例。這里對圖5-4-8中PCB板的密集過孔做了調(diào)整，紅色和淺藍(lán)色分別為兩個(gè)不同信號層上的連線，由深藍(lán)色的起來。右圖的綠色表示是地平面層，可以看到，調(diào)整后的過孔分布，孔之間保留了地上的敷銅，使地平面保持了連續(xù)。

圖5-4-11調(diào)整后的過孔分布

孔之間的地平面敷銅中國科大快電子學(xué)安琪29調(diào)整過于密集的過孔調(diào)整過于密集的過孔，使過孔之放置旁路電容當(dāng)高速的信號線不得不跨越一個(gè)地平面上的狹縫時(shí)，應(yīng)在信號線跨越狹縫處，在信號線兩側(cè)各放一個(gè)旁路電容（至少放一個(gè)旁路電容），連接狹縫兩邊的地平面，使高速的返回電流經(jīng)旁路電容通過狹縫。避免大的返回通道環(huán)形成額外的電感。

圖3-4-12在信號線跨越狹縫處放置旁路電容

信號線旁路電容中國科大快電子學(xué)安琪30放置旁路電容當(dāng)高速的信號線不得不跨越一個(gè)地平面使用差分線傳輸信號當(dāng)高速的信號線不得不跨越一個(gè)地平面上的狹縫時(shí)，差分信號傳輸可以很好地改善由于狹縫帶來的信號完整性問題。這可以分別從兩個(gè)方面來理解。

首先，從差分信號的理論來說，這是相當(dāng)簡單的。差分信號的兩個(gè)信號總是大小相同，方向相反，因此，兩個(gè)信號的返回電流也是大小相同，方向相反。由于差分連線相互靠的很近，地平面上的返回電流通道幾乎是重合在一起，大小相同，方向相反的返回電流因而相互抵消。圖3-4-11差分信號傳輸以及返回電流的示意圖。當(dāng)返回電流的地平面上出現(xiàn)狹縫時(shí)，兩個(gè)差分返回電流信號的返回通道仍然是相同的，電流仍然被抵消。

差分信號的接收電路總是比較兩個(gè)差分信號，以確定輸入信號的極性。比較過程中，并不需要本地的參考電平。驅(qū)動(dòng)端和接收端之間的任何地電平變化，如其它電路產(chǎn)生的串?dāng)_電壓，對兩個(gè)差分信號的影響是相同的，被看作為是共模信號，對差分接收端沒有影響。

圖3-4-13差分信號的返回電流中國科大快電子學(xué)安琪31使用差分線傳輸信號當(dāng)高速的信號線不得不跨越一個(gè)差分信號的平衡唯一影響差分信號的返回電流的因素是差分信號對的不平衡。如果差分信號不是精確地相位完全相反，其返回電流也就不會(huì)完全抵消。差分電流上的不平衡被認(rèn)為是共模電流（CommonModeCurrent）。對于一個(gè)設(shè)計(jì)完美的差分驅(qū)動(dòng)電路來說，其共模電流一般要小于差模電流的1/100。當(dāng)我們設(shè)計(jì)PCB連線時(shí)，應(yīng)注意保持兩個(gè)差分信號連線是等長度，兩個(gè)差分信號連線之間的距離相距很近，并且始終保持等距離。兩個(gè)差分信號連線在長度上的差異會(huì)帶返回來電流上的不平衡，其影響因子有式3-5-9所描述。

（3-4-9）

其中：x是兩個(gè)差分信號連線在長度上的差異，td是差分信號連線的單位傳輸延遲時(shí)間，tr是差分信號的上升時(shí)間。

中國科大快電子學(xué)安琪32差分信號的平衡唯一影響差分信號的返回電流的因素是差分二.過孔（Via）使用過孔來連接不同信號層的信號線是PCB板布線中極為普通的一種方法。然而，在使用過孔時(shí)，信號的電流回流往往被忽視。對于高速信號，這種情況類似于分割的地平面或分割的電源層。信號的電流回流開始是在一個(gè)地平面層上通過，然后又被驅(qū)使到另一個(gè)參考層上（地平面層或電源層）。圖3-4-14所顯示的是一個(gè)典型的例子。圖3-4-14使用過孔的信號以及其電流回流的路徑

中國科大快電子學(xué)安琪33二.過孔（Via）使用過孔來連接不同信號層的信號線過孔討論在靠近過孔時(shí)，由于過孔阻斷了電流回流的流向，所以電流回流必然尋找附近最近的過孔（若中間兩層具有相同電位的參考層，如：地面層）或旁路電容（若中間兩層具有不相同的電位的參考層。信號電流和其回流組成的電流環(huán)的面積就要增大，形成的電感也就增大。信號過孔和回流過孔或旁路電容之間的距離（右圖中的s）越大，電流環(huán)的面積就越大，形成的電感也就越大。類似于狹縫，電感的存在使信號變慢，產(chǎn)生串?dāng)_，信號完整性受到破壞。信號過孔和回流的過孔或旁路電容之間的距離可能有人會(huì)問到：返回電流是否可以通過兩個(gè)參考層之間的離散電容流入到另一層板上？答案是不會(huì)的。在典型的PCB板結(jié)構(gòu)中，板間距足夠大，其離散電容還不足以為返回電流形成有效的低阻抗通道。返回電流還是去尋找最近的過孔或旁路電容來穿越不同的參考層面（詳細(xì)分析見“Short-TermImpedanceOfPlanes”byDr.HowardJohnson）。圖3-4-15中國科大快電子學(xué)安琪34過孔討論在靠近過孔時(shí)，由于過孔阻斷了電流回流的流向過孔電感的估算（1）其中：s是信號過孔和一個(gè)返回電流過孔之間的距離；r是過孔的半徑；h是兩個(gè)參考層之間的間距。s,r和h單位都是英寸（in）。信號經(jīng)過一個(gè)過孔，返回電流由另一個(gè)過孔返回。其電感大小為：（3-4-10）

信號經(jīng)過一個(gè)過孔，返回電流主要由另外兩個(gè)過孔返回，而且各返回過孔的中心與信號過孔的中心之間的距離相等，由s表示。其電感大小為：（3-4-11）其中：s是信號過孔和任一個(gè)返回電流過孔之間的距離；r是過孔的半徑；h是兩個(gè)參考層之間的間距。s,r和h單位都是英寸（in）。中國科大快電子學(xué)安琪35過孔電感的估算（1）其中：s是信號過孔和一個(gè)返回電流過孔電感的估算（2）其中：s是信號過孔和一個(gè)返回電流過孔之間的距離；r是過孔的半徑；h是兩個(gè)參考層之間的間距。s,r和h單位都是英寸（in）。信號經(jīng)過一個(gè)過孔，返回電流由主要另外四個(gè)過孔返回，而且四過孔的位置呈四邊形，相互之間的距離相等，各返回過孔的中心與信號過孔的中心之間的距離相等，由s表示。其電感大小為：（3-4-12）信號經(jīng)過一個(gè)過孔，而返回電流由環(huán)繞該過孔的一個(gè)同軸園的返回通道返回，其電感大小為：（3-4-13）其中：s是同軸園的半徑；r是過孔的半徑；h是兩個(gè)參考層之間的間距。s,r和h單位都是英寸（in）。公式（3-4-13）實(shí)際上就是同軸電纜的電感計(jì)算公式。中國科大快電子學(xué)安琪36過孔電感的估算（2）其中：s是信號過孔和一個(gè)返回電流過三.連接器（Connector）

連接器的非理想返回通道

當(dāng)我們使用一個(gè)連接器將兩塊PCB板連接起來時(shí)，信號從一塊PCB板通過連接器傳輸?shù)搅硪粔KPCB板上，而信號的返回電流卻不能像一塊PCB板內(nèi)那樣從相應(yīng)的參考層返回到信號的源端，只能像圖3-4-16所顯示的那樣，從特定的接地連接腳返回到信號的源端。圖3-4-16是一個(gè)連接器上信號以及其返回電流通道的例子。連接器左邊板上的驅(qū)動(dòng)門電路A的輸出信號以及返回電流形成了回路X，而B的輸出信號以及返回電流形成了回路Y。兩個(gè)環(huán)路的返回都通過了同一個(gè)接地管腳，形成了較大的電流環(huán)，且相互重合，產(chǎn)生串?dāng)_。圖3-4-16連接器上的信號以及返回通道BAC中國科大快電子學(xué)安琪37三.連接器（Connector）連接器的非理想返回通道

連接器的串?dāng)_對由于連接器的非理想返回電流通道所帶來串?dāng)_，總是可以用計(jì)算電感串?dāng)_的公式，

即：Crosstalk=LM(di/dt)來描述。這里，我們考慮最差的情況，即：較大的電流環(huán)X對電流環(huán)Y的串?dāng)_。當(dāng)估計(jì)電感帶來的串?dāng)_大小時(shí)，我們應(yīng)從三個(gè)因素著手分析。

兩環(huán)之間的互感

驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的最大電流變化率

驅(qū)動(dòng)門電路B在PCB板上的位置中國科大快電子學(xué)安琪38連接器的串?dāng)_對由于連接器的非理想返回電流通道所

兩環(huán)之間的互感

電流環(huán)X與電流環(huán)Y之間的互感（LX,Y）可以用式（3-4-14）計(jì)算。其中：a：通過連接器時(shí)信號X與Y之間的距離，也就是連接器管腳之間的距離。b：通過連接器時(shí)信號X與接地管腳之間的距離。c：通過連接器時(shí)信號Y與接地管腳之間的距離。D：連接器管腳的直徑。H：連接器管腳的長度。（3-4-14）BAC中國科大快電子學(xué)安琪39兩環(huán)之間的互感

電流環(huán)X與電流環(huán)Y之間的互感（LX,

驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的最大電流變化率

驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的最大電流變化率與電路的負(fù)載相關(guān)。對于電阻負(fù)載，它可以由式（3-4-15）來描述；對于電容負(fù)載，它可以由式（3-4-16）來描述。其中，tr是驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的上升時(shí)間，V是驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的擺幅，R是驅(qū)動(dòng)門電路A的電阻負(fù)載。（3-4-15）其中，tr是驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的上升時(shí)間，V是驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的擺幅，C是驅(qū)動(dòng)門電路A的電容負(fù)載。（3-4-16）中國科大快電子學(xué)安琪40驅(qū)動(dòng)門電路A輸出信號的最大電流變化率驅(qū)動(dòng)門電驅(qū)動(dòng)門電路B在PCB板上的位置

驅(qū)動(dòng)門電路B在電路板中的位置，或者更精確地說，其靠近連接器的程度對串?dāng)_的大小也有影響。我們可以將其分為兩種情況。

情況1：驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器靠的較近，信號的等效電子學(xué)長度（l）大于其連線。如圖3-4-15所示。

由于驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器靠的較近，可以不考慮信號連線的傳輸線效應(yīng)。并且由于驅(qū)動(dòng)門電路B的輸出阻抗較小，可以忽略由于電感產(chǎn)生的電壓串?dāng)_信號在其上的分壓，全部電壓串?dāng)_信號都落在連接器右端接收端。此時(shí)，其串?dāng)_電壓就是：(3-4-17)將互感的表達(dá)式LX,Y（3-4-14）和電流變化率（di/dt）的表達(dá)式（3-4-15）或（3-4-16）帶入式（3-4-17），就可以算出串?dāng)_的大小。圖5-4-15驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器靠的較近B中國科大快電子學(xué)安琪41驅(qū)動(dòng)門電路B在PCB板上的位置驅(qū)動(dòng)門電路B在電情況2：

驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器相離較遠(yuǎn)，信號的等效電子學(xué)長度（l）小于其連線。

如圖3-4-18所示。由于驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器相離較遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮信號連線的傳輸線效應(yīng)。傳輸線的特性阻抗為ZC，應(yīng)當(dāng)考慮電壓串?dāng)_信號在其上的分壓。這時(shí)，落在連接器右端接收端只是全部電壓串?dāng)_信號的一部分。即串?dāng)_電壓為：

其中：K是傳輸線的特性阻抗與連接器右端接收端等效阻抗的比值。當(dāng)為了防止反射而進(jìn)行終端匹配時(shí)，連接器右端接收端的等效阻抗也等于ZC。此時(shí)，其連接器右端接收端的串?dāng)_電壓是總串?dāng)_電壓的一半，即：

(3-4-18)(3-4-19)圖3-4-18驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器相離較遠(yuǎn)

B中國科大快電子學(xué)安琪42情況2：驅(qū)動(dòng)門電路B與連接器相離較遠(yuǎn)，信號的等效電子學(xué)

減少連接器的電感串?dāng)_最直接減少連接器的電感串?dāng)_的方法就是增加連接器上的接地管腳數(shù)目和電源管腳的數(shù)目。如圖3-4-17所示，當(dāng)我們在回路X和Y上部對稱地加另一個(gè)接地管腳時(shí)，每個(gè)接地管腳上返回電流差被減半，相當(dāng)于電感也減少了一半。更多的接地管腳會(huì)進(jìn)一步地分流返回電流，但不會(huì)像最初1/2那樣分的這么多。圖3-4-19增加一個(gè)接地管腳將串?dāng)_減少一半B中國科大快電子學(xué)安琪43減少連接器的電感串?dāng)_最直接減少連接器的電感串?dāng)_的減少連接器電感串?dāng)_（2）在管腳X和Y之間加接地管腳比在它們外邊加接地管腳更為有效。當(dāng)我們加N個(gè)接地管腳時(shí)，管腳X和Y被隔離的更遠(yuǎn)，其相互之間的耦合就更小，其大小與數(shù)目N的關(guān)系如式（3-4-20）所描述。圖3-4-18在兩個(gè)信號管腳之間加接地管腳

(3-4-20)在實(shí)際的應(yīng)用中，在兩個(gè)信號腳之間加N個(gè)接地管腳是不太現(xiàn)實(shí)的。這樣，有效的信號管腳就大大減少了。一般來說，當(dāng)?shù)鼐€管腳與信號管腳的數(shù)目達(dá)到1:1時(shí)，可以認(rèn)為信號間的串?dāng)_已被基本上消除，不再對系統(tǒng)構(gòu)成大的影響。

中國科大快電子學(xué)安琪44減少連接器電感串?dāng)_（2）在管腳X和Y之間加接地管腳比偽同軸電纜技術(shù)

圖3-4-19信號與地線管腳的幾種排列方案

信號線與地線的數(shù)量比為1:1，具有較好的屏蔽效果和較低的特性阻抗。

中國科大快電子學(xué)安琪45偽同軸電纜技術(shù)圖3-4-19信號與地線管腳的幾種排列方案減少連接器電感串?dāng)_（3）有時(shí)，地線管腳與信號管腳的數(shù)目達(dá)到1:1的比例仍然被認(rèn)為是很奢侈，代價(jià)太高。這時(shí)，可以考慮按功能將信號線管腳分成若干個(gè)組，各組之間用接地管腳分開。這樣，各組之間的串?dāng)_就可以大大減少。對于相同功能的信號線管腳，若數(shù)目太大，如數(shù)據(jù)信號線管腳和地址信號線管腳，也可以在其中再分組，以減少串?dāng)_。

另外，選擇好的連接器也是減少串?dāng)_的重要方法，如：采用管腳短的連接器以減少電感。AMP公司的Z-Pack連接器是很好的連接器，適合高速的信號互連。

使用差分信號傳輸是一個(gè)解決連接器非理想返回電流通道問題的很好方法。差分信號的返回電流概念和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)已在前面詳細(xì)討論。這里唯一要特別強(qiáng)調(diào)的是：在連接器上，差分信號的兩個(gè)信號管腳必須是相鄰的管腳。中國科大快電子學(xué)安琪46減少連接器電感串?dāng)_（3）有時(shí)，地線管腳與信號管腳的數(shù)VME總線連接器中地與電源腳的分配中國科大快電子學(xué)安琪47VME總線連接器中地與電源腳的分配中國科大快電子學(xué)安琪PCI總線連接器中地與電源腳的分配接地腳電源腳中國科大快電子學(xué)安琪48PCI總線連接器中地與電源腳的分配接地腳電源腳中國科大快電3-5

保護(hù)線

在模擬電路應(yīng)用中，對于敏感的信號線，常用所謂的保護(hù)線措施來減少串?dāng)_，即：用兩條平行的地線夾著敏感的信號線。

在數(shù)字電路中，一個(gè)良好的地平面可以有效的減少串?dāng)_，而且數(shù)字信號不象模擬信號對干擾信號那樣敏感。不過，對于象高速的時(shí)鐘信號或時(shí)序控制信號，使用保護(hù)線仍可以起到一個(gè)輔助的作用。HL信號線地線W圖5-4-1中國科大快電子學(xué)安琪493-5保護(hù)線在模擬電路應(yīng)用中，對于敏感的信號線例1

圖3-5-2中的兩條PCB連線之間相隔三個(gè)連線寬度，中間恰好可以放下一條保護(hù)線。連線的幾何尺寸如圖所示，試估算兩線間的串?dāng)_大小。因?yàn)榫€間距離為0.040in，線高度為0.005in，所以比值D/H=8，帶入上式，有：圖5-5-2對于數(shù)字電路，若采用整個(gè)PCB板作為地平面，則可以認(rèn)為串?dāng)_只在鄰近線間發(fā)生，相鄰連線間發(fā)生1~3%的串?dāng)_是可以容忍的。本例中的串?dāng)_可以忽略。因此，一般而言，當(dāng)兩線之間的距離可以插入一條保護(hù)線時(shí)，可以認(rèn)為其距離已足夠遠(yuǎn)，無須再加保護(hù)線。中國科大快電子學(xué)安琪50例1圖3-5-2中的兩條PCB連線之間相隔三個(gè)連例2

圖3-5-3中，一個(gè)已知幅度的信號從PCB連線A輸入，由線B和C觀測其串?dāng)_信號。PCB連線長26in，特性阻抗為50.這里：信號層與地面層的距離H為10mil。比例1大一倍，以增大串?dāng)_的效果。圖3-5-3保護(hù)線的效果A-B：D=40,H=10,D/H=4A-C：D=80,H=10,D/H=8很顯然：連線C與連線A的距離比連線B要大一倍，其D/H比值也大一倍。因?yàn)榇當(dāng)_大小與D/H比值的平方成反比，可以想像連線C上的干擾電壓應(yīng)是連線B上的1/4。我們有：A-B：A-C：中國科大快電子學(xué)安琪51例2圖3-5-3中，一個(gè)已知幅度的信號從PCB連示波器觀測的結(jié)果最大幅度的脈沖PCB連線C的兩端均不做任何連接，在PCB連線B上測到的串?dāng)_電壓。次最大幅度的脈沖PCB連線B的兩端均不做任何連接，在PCB連線C上測到的串?dāng)_電壓，大小是連線B上串?dāng)_的1/4。最小幅度的脈沖PCB連線B的兩端均接地后，在PCB連線C上測到的串?dāng)_電壓，大小是未接地時(shí)的1/2。圖3-5-4保護(hù)線的效果中國科大快電子學(xué)安琪52示波器觀測的結(jié)果最大幅度的脈沖圖3-5-4保護(hù)線的效果小結(jié)保護(hù)線是減少串?dāng)_的一個(gè)輔助方法。保護(hù)線一定要兩端接地。保護(hù)線上有規(guī)律的通過過孔接地可以進(jìn)一步減少串?dāng)_。中國科大快電子學(xué)安琪53小結(jié)保護(hù)線是減少串?dāng)_的一個(gè)輔助方法。中國科大快電子學(xué)3-6

近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_先前的串?dāng)_分析都是基于集總元件網(wǎng)絡(luò)極性，將耦合看作為由一個(gè)集總電感LM完成的。對于大多數(shù)應(yīng)用，這是合適的，但對于長線串?dāng)_則不夠嚴(yán)謹(jǐn)。以下的串?dāng)_分析，將是基于分布的電感和電容來進(jìn)行。一．感性耦合機(jī)制

設(shè)：互感系數(shù)為：LM線延遲時(shí)間為：Tp圖3-6-1典型的串?dāng)_原理示意圖圖5-6-1是典型的串?dāng)_原理示意圖。首先，我們的分析只考慮感性耦合機(jī)制。中國科大快電子學(xué)安琪543-6近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_先前的串?dāng)_分析都是基于變壓器模型

互感的作用象一個(gè)小變壓器。

分布的互感作用象一連串小變壓器。

假定耦合作用不是很強(qiáng)，小變壓器不會(huì)影響信號的傳輸?？疾斓趉個(gè)變壓器

當(dāng)階躍信號傳輸?shù)牡降趉個(gè)變壓器，在線C-D上感應(yīng)出一個(gè)小的尖脈沖，并向線的兩端傳輸。

由于變壓器的同相和反相端機(jī)制，向遠(yuǎn)端傳輸?shù)拇當(dāng)_信號是負(fù)脈沖，并被稱為是遠(yuǎn)端串?dāng)_；而向近端傳輸?shù)拇當(dāng)_信號是正脈沖，并被稱為是近端串?dāng)_。中國科大快電子學(xué)安琪55變壓器模型互感的作用象一個(gè)小變壓器。由于變壓器的同相感性耦合的遠(yuǎn)端串?dāng)_變壓器k產(chǎn)生的負(fù)尖脈沖與驅(qū)動(dòng)信號同方向傳輸，且與驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)到達(dá)遠(yuǎn)端，也就是說：當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號沿線A-B傳輸時(shí)，一路感應(yīng)的負(fù)尖脈沖都隨驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)到達(dá)遠(yuǎn)端，匯集成一個(gè)幅度較大的負(fù)尖脈沖，其脈沖寬度與驅(qū)動(dòng)信號的上升時(shí)間（tr）相同。遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的特點(diǎn)：負(fù)尖脈沖。線越長，脈沖幅度越大。脈沖寬度等于原驅(qū)動(dòng)信號的上升時(shí)間tr。線C-D上產(chǎn)生的所有遠(yuǎn)端串?dāng)_信號與驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)到達(dá)遠(yuǎn)端，延遲時(shí)間為Tp。上升時(shí)間是原驅(qū)動(dòng)信號的一半。（3-6-1）中國科大快電子學(xué)安琪56感性耦合的遠(yuǎn)端串?dāng)_變壓器k產(chǎn)生的負(fù)尖脈沖與驅(qū)動(dòng)信號同方向感性耦合的近端串?dāng)_變壓器k產(chǎn)生的正尖脈沖與驅(qū)動(dòng)信號反方向傳輸，近端串?dāng)_信號應(yīng)是所有正尖脈沖的總和。其電壓信號的面積與遠(yuǎn)端串?dāng)_相同，但卻分布在2TP時(shí)間內(nèi)，理想情況下，近端串?dāng)_信號是一個(gè)寬度為2Tp的方波。當(dāng)線長度增大時(shí)，信號的脈寬增大，但幅度不變。近端串?dāng)_信號的特點(diǎn)：正脈沖信號。脈沖幅度與線長度無關(guān)，但其面積與遠(yuǎn)端串?dāng)_負(fù)尖脈沖的面積相同．近端串?dāng)_信號與原驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)產(chǎn)生，脈沖寬度等于兩倍的線延遲時(shí)間（2Tp）。上升時(shí)間與原驅(qū)動(dòng)信號的相同（tr）。（3-6-2）式（3-6-2）與式（3-6-1）形式上完全相同，不同的地方是近端串?dāng)_信號的相加是在不同的時(shí)間，因此，信號幅度并沒有增加，增加的是信號的寬度?；蛘呶覀兛梢杂檬剑?-6-3）來描述感性耦合中的近端串?dāng)_，其中R是近端串?dāng)_的耦合系數(shù)。注意：（3-6-３）中國科大快電子學(xué)安琪57感性耦合的近端串?dāng)_變壓器k產(chǎn)生的正尖脈沖與驅(qū)動(dòng)信號反感性耦合近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的傳輸圖3-6-2近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的傳輸示意圖圖3-6-3近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的波形圖中國科大快電子學(xué)安琪58感性耦合近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的傳輸圖3-6-2近端和遠(yuǎn)端串二.

容性耦合機(jī)制容性耦合機(jī)制與感性耦合機(jī)制是類似的，主要的不同是互容沒有變壓器的同名端問題，向兩個(gè)方向傳輸?shù)拇當(dāng)_信號的極性都與原驅(qū)動(dòng)信號相同．遠(yuǎn)端串?dāng)_信號：與互感類似，只是極性相反，與原驅(qū)動(dòng)信號一樣，為脈沖。近端串?dāng)_信號：互感類似。中國科大快電子學(xué)安琪59二.容性耦合機(jī)制容性耦合機(jī)制與感性耦合機(jī)制是類似的，主容性耦合機(jī)制的串?dāng)_信號圖3-6-4容性耦合近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_信號的波形圖中國科大快電子學(xué)安琪60容性耦合機(jī)制的串?dāng)_信號圖3-6-4容性耦合近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_三.容性、感性串?dāng)_的共同作用圖3-6-5容性、感性耦合的干擾信號的波形圖感性耦合容性耦合遠(yuǎn)端串?dāng)_遠(yuǎn)端串?dāng)_近端串?dāng)_近端串?dāng)_脈沖面積相等脈沖面積相等

通常條件下（地平面板），感性串?dāng)_和容性串?dāng)_大體上是相同的。

遠(yuǎn)端串?dāng)_（正向傳輸）信號極性相反，相互抵消；

而近端串?dāng)_（反向傳輸）信號極性相同，相互加強(qiáng)。中國科大快電子學(xué)安琪61三.容性、感性串?dāng)_的共同作用圖3-6-5容性、感性耦合容性、感性串?dāng)_的進(jìn)一步討論微帶線（MicrostripLine）電場分布一半是在空氣中，因而容性耦合強(qiáng)度低于感性耦合。由于較小的容性串?dāng)_，遠(yuǎn)端的（正向傳輸）容性串?dāng)_正脈沖幅度小于感性串?dāng)_的負(fù)脈沖，遠(yuǎn)端處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，但幅度小于原感性串?dāng)_的負(fù)脈沖。近端串?dāng)_信號相互疊加，幅度增加，但不是加倍。不完美的地面板對于不完美的地面板，如帶有狹縫的地面。感性串?dāng)_可能遠(yuǎn)大于容性串?dāng)_，遠(yuǎn)端處的負(fù)脈沖幅度進(jìn)一步增強(qiáng)，但脈沖面積不會(huì)大于近端串?dāng)_（反向傳輸）的正脈沖。因?yàn)檫h(yuǎn)端串?dāng)_信號的極性相反，總是相互抵消一部分；而近端串?dāng)_信號的極性相同，總是加強(qiáng)。帶狀線（Stripline）感性串?dāng)_和容性串?dāng)_的強(qiáng)度基本相同，遠(yuǎn)端串?dāng)_信號相互抵消，殘存的串?dāng)_信號幅度很??；近端串?dāng)_信號相互疊加，幅度加倍。中國科大快電子學(xué)安琪62容性、感性串?dāng)_的進(jìn)一步討論微帶線（Microstrip四．近端串?dāng)_變?yōu)檫h(yuǎn)端串?dāng)_通常的高速數(shù)字電路中，常見的是一個(gè)內(nèi)阻很低的驅(qū)動(dòng)門電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)傳輸線，傳輸線終端（遠(yuǎn)端）進(jìn)行并聯(lián)的終端匹配。由于終端匹配，遠(yuǎn)端不會(huì)發(fā)生反射。但近端串?dāng)_在傳輸線的始端會(huì)發(fā)生反向反射。該信號極性與原近端串?dāng)_信號相反，為負(fù)脈沖信號，寬度不變，仍為2Tp，經(jīng)Tp時(shí)間后到達(dá)傳輸線終端。實(shí)際上，遠(yuǎn)端看到的串?dāng)_信號應(yīng)是正向傳輸?shù)倪h(yuǎn)端串?dāng)_信號和反向傳輸?shù)慕舜當(dāng)_反射后的信號的疊加效應(yīng)。在容性、感性耦合平衡時(shí)，第一項(xiàng)很小，基本是第二項(xiàng)的影響。因此，可以說，近端串?dāng)_變成了遠(yuǎn)端串?dāng)_。若容性、感性耦合不是理想平衡，由于一般總是感性大于容性，因此，抵消后剩余的遠(yuǎn)端串?dāng)_是負(fù)脈沖，它會(huì)疊加在近端串?dāng)_的反射信號前沿處。圖3-6-6近端串?dāng)_信號的反射中國科大快電子學(xué)安琪63四．近端串?dāng)_變?yōu)檫h(yuǎn)端串?dāng)_通常的高速數(shù)字電路中，例3-6-1測量近端串?dāng)_的反射信號測量裝置：

脈沖源通過50同軸電纜驅(qū)動(dòng)PCB連線A-B。

連線寬度（W）：20mil

介質(zhì)高度（H）：10mil

連線間距：40mil

示波器探針電纜長度均相同

示波器探針電纜終端50匹配

PCB連線C和E近端接地，仿真一個(gè)低阻驅(qū)動(dòng)器。圖3-6-7測量裝置中國科大快電子學(xué)安琪64例3-6-1測量近端串?dāng)_的反射信號測量裝置：圖3-6-近端串?dāng)_的反射信號波形

兩個(gè)串?dāng)_波形的起始點(diǎn)延遲驅(qū)動(dòng)信號均為4.5ns，說明線的延遲時(shí)間Tp為：Tp=4.5ns。

兩個(gè)串?dāng)_信號的寬度：Tp=9ns。

在D和F處測量的串?dāng)_信號分別為：

D=(4div)(50mV/div)=200mVF=(1div)(50mV/div)=50mV

在D和F處測量的串?dāng)_比值分別為：

D/A=0.200/2.5=0.08F/A=0.50/2.5=0.02

由公式預(yù)測的串?dāng)_比值：圖3-6-8測量的波形遠(yuǎn)端串?dāng)_信號抵消后剩余的感性串?dāng)_負(fù)脈沖中國科大快電子學(xué)安琪65近端串?dāng)_的反射信號波形圖3-6-8測量的波形遠(yuǎn)端串?dāng)_信號五.兩線間串?dāng)_信號的特征遠(yuǎn)端串?dāng)_（正向傳輸）

遠(yuǎn)端串?dāng)_（感性和容性）大小正比于驅(qū)動(dòng)信號的導(dǎo)數(shù)，正比于線的長度。

脈沖寬度等于驅(qū)動(dòng)信號的上升時(shí)間tr。

上升時(shí)間是原驅(qū)動(dòng)信號的一半。

所有的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號與驅(qū)動(dòng)信號同時(shí)到達(dá)遠(yuǎn)端，延遲時(shí)間為TP。

感性和容性的遠(yuǎn)端串?dāng)_極性相反，相互抵消。剩余的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號大小取決于感性和容性耦合的平衡。

一旦測量了在某雙線上的一個(gè)已知信號的遠(yuǎn)端串?dāng)_的平衡比值，其它信號是相同的。近端串?dāng)_（反向傳輸）

正脈沖信號。

脈沖幅度正比于驅(qū)動(dòng)信號的幅度，但與線長度無關(guān)。

上升時(shí)間與原驅(qū)動(dòng)信號相同。

串?dāng)_信號的寬度為2倍的線傳輸延遲時(shí)間（2TP）。

感性和容性的近端串?dāng)_極性相同，相互疊加。

近端串?dāng)_信號可以用式（3-6-3）描述：當(dāng)線較長，并超過信號上升時(shí)間的1/2時(shí)，近端串?dāng)_信號可以達(dá)到其滿幅度值，此時(shí)的耦合系數(shù)可以近似地用下式表示：（3-6-3）中國科大快電子學(xué)安琪66五.兩線間串?dāng)_信號的特征遠(yuǎn)端串?dāng)_（正向傳輸）近端串?dāng)_（反向六.減少串?dāng)_的措施盡量減少PCB板上的平行布線。盡量減少芯片間的物理尺寸，以減少連線長度。盡量使用參考層（電源層或地面層）隔離兩個(gè)布線層。當(dāng)兩個(gè)布線層不得不相鄰時(shí)，兩個(gè)布線層上的布線方向需呈90度，垂直布線。適當(dāng)進(jìn)行始端串聯(lián)匹配，以減少近端串?dāng)_的反射。3-W規(guī)律RsZ0Z0圖3-6-9相鄰步線層垂直步線圖3-6-10適當(dāng)?shù)氖级舜?lián)匹配中國科大快電子學(xué)安琪67六.減少串?dāng)_的措施盡量減少PCB板上的平行布線。RsZ3-W規(guī)則3-W規(guī)則：兩條鄰近的連線中心點(diǎn)間距應(yīng)大于，或至少等于3倍的線寬。或者說：兩條鄰近連線的邊沿之間的間距應(yīng)大于，或至少等于2倍的線寬。并非所有的連線都必須遵守3-W規(guī)則，一般只有時(shí)鐘信號線和較為重要的時(shí)序控制信號線需要考慮。3-W規(guī)則涉及到是70％的信號電流，即70％的電流分布在3-W內(nèi)。若要達(dá)到98％的電流，則需要10-W規(guī)則。當(dāng)兩線之間有過孔時(shí)，考慮到對過孔處信號的串?dāng)_，3-W規(guī)則應(yīng)不是針對另一條連線，而是針對過孔。圖3-6-113-W規(guī)則示意圖磁場中國科大快電子學(xué)安琪683-W規(guī)則3-W規(guī)則：兩條鄰近的連線中心點(diǎn)間距應(yīng)大差分線3-W規(guī)則圖3-6-12差分線的3-W規(guī)則示意圖中國科大快電子學(xué)安琪69差分線3-W規(guī)則圖3-6-12差分線的3-W規(guī)則示意圖LVDS差分線3-W規(guī)則圖3-6-13NationalSemiInc.推薦的LVDS差分線的3-W規(guī)則示意圖中國科大快電子學(xué)安琪70LVDS差分線3-W規(guī)則圖3-6-13National3-7

多層PCB板分層設(shè)計(jì)考慮電源面和地面層的考慮：層數(shù)，位置PCB標(biāo)準(zhǔn)模板中國科大快電子學(xué)安琪713-7多層PCB板分層設(shè)計(jì)考慮電源面和地面層的考慮：一.電源面和地面層5/5規(guī)則

若數(shù)字電路的時(shí)鐘頻率大于5MHz，或者數(shù)字信號的上升時(shí)間小于等于5ns，則應(yīng)該考慮使用多層PCB板技術(shù)。由5/5規(guī)則，當(dāng)前我們涉及到數(shù)字電路設(shè)計(jì)無例外都必須考慮多層PCB板的設(shè)計(jì)?；旧峡梢哉J(rèn)為不是使用不使用多層PCB板的問題，而是考慮使用多少層的問題。中國科大快電子學(xué)安琪72一.電源面和地面層5/5規(guī)則中國科大快電子學(xué)安琪電源面和地面層設(shè)計(jì)考慮：層數(shù)和位置

考慮所需電源的種類和數(shù)量，盡可能不使用分割的電源層或地平面層。估計(jì)信號的上升時(shí)間，考慮是否需要阻抗可控的PCB連線設(shè)計(jì)。估計(jì)信號線的數(shù)目和電路板的物理尺寸。電源層與地面層板應(yīng)盡可能成對出現(xiàn)。防止電路板彎翹。相鄰排列可以形成電源與地之間的平行板電容，有助于電源與地之間的低阻抗通道。電源層也是一個(gè)低電感返回電流通道。只要電源層與地平面層之間有足夠多的旁路電容，對于信號層，地平面層和電源層只是直流電位不同，對交流信號，作為參考層是一樣的。

信號線GNDVCC圖3-7-1信號參考層：地平面層或電源層中國科大快電子學(xué)安琪73電源面和地面層設(shè)計(jì)考慮：層數(shù)和位置考慮所需電源的種類和盡可能采用地平面板（而不是電源板）來隔離各布線層，并用大量分布的過孔將各地面層連接起來，使回流可以跟隨信號線在不同的步線層穿越，以最小的電感回路返回。避免利用旁路電容跳躍電源層和地平面層，畢竟旁路電容遠(yuǎn)不如直接的過孔有更好的阻抗特性。20H原則電源層邊緣比地面層縮進(jìn)20H,以減少電磁輻射。H是電源層與地面層的間距。信號層也需要類似的處理。每個(gè)信號層都應(yīng)有一個(gè)對應(yīng)的參考層提供最佳的回流通道。連續(xù)相鄰的信號層不能多于2層。

層數(shù)必須為偶數(shù)。中國科大快電子學(xué)安琪74盡可能采用地平面板（而不是電源板）來隔離各布線層，并用大二.PCB標(biāo)準(zhǔn)模板1.4層板模板A：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗

板厚：2.mm0.2mm

阻抗設(shè)計(jì)線寬：9mil

成品阻抗：505L1L2L3L45.6mil60.2mil5.6mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(P/G)0.5oz(SIG)中國科大快電子學(xué)安琪75二.PCB標(biāo)準(zhǔn)模板1.4層板模板A：L1L2L3L45.PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗

板厚：1.mm0.2mm

阻抗設(shè)計(jì)線寬：6.5mil

成品阻抗：505L1L2L3L44.6mil24mil4.6mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(P/G)0.5oz(SIG)中國科大快電子學(xué)安琪76PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：L1L2L3L44.6mil24mPCB標(biāo)準(zhǔn)模板2.6層板模板A：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗板厚：2.mm0.2mm

阻抗設(shè)計(jì)線寬：11mil成品阻抗：一般：505L1L2L3L47.4mil13mil7.4mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(P/G)0.5oz(SIG)20mil20milL5L61oz(SIG)1oz(P/G)中國科大快電子學(xué)安琪77PCB標(biāo)準(zhǔn)模板2.6層板模板A：L1L2L3L47.4mPCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗差分阻抗

板厚：1.6mm0.15mm

阻抗設(shè)計(jì)線寬：單線：10mil差分：8mil,間隔12mil

成品阻抗：一般：515差分：10010L1L2L3L47.2mil13mil7.2mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(P/G)0.5oz(SIG)13mil13milL5L61oz(SIG)1oz(P/G)中國科大快電子學(xué)安琪78PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：L1L2L3L47.2mil13mPCB標(biāo)準(zhǔn)模板3.8層板模板A：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗板厚：2.mm0.2mm外層阻抗線寬：9mil,成品阻抗：505

內(nèi)層阻抗線寬：11mil,成品阻抗：505L1L2L3L45.6mil9.0mil9.0mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)12mil12milL5L61oz(P/G)1oz(SIG)5.6mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)12milL7L8中國科大快電子學(xué)安琪79PCB標(biāo)準(zhǔn)模板3.8層板模板A：L1L2L3L45.6PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗差分阻抗板厚：2.mm0.2mmL1,L3,L6,L8:信號層L1,L8:阻抗控制外層L1:單線：線寬：9.6mi阻抗：50L8:差分：線寬:8mil;間距：8mil阻抗：100L1L2L3L45.6mil6.5mil6.5mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)14mil14milL5L61oz(P/G)1oz(SIG)5.6mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)14milL7L8中國科大快電子學(xué)安琪80PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：L1L2L3L45.6mil6.5PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板C：（適合短距離，少量10Gb/s信號）

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗差分阻抗板厚：2.mm0.2mm外層（用于短距離，少量10Gb/s信號）

L1：單線:線寬17mil,阻抗50L8:差分：線寬13mil,間距13mil阻抗98內(nèi)層L3,L5:單線：線寬：7.8mi,阻抗50差分：線寬:6.9mil;間距：13mil阻抗：100L1L2L3L45.6mil6.5mil6.5mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)14mil14milL5L61oz(P/G)1oz(SIG)5.6mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)14milL7L8中國科大快電子學(xué)安琪81PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板C：（適合短距離，少量10Gb/s信號）LPCB標(biāo)準(zhǔn)模板4.10層板模板A：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗板厚：2.mm0.2mm外層（L1,L10）線寬：6.4mil,阻抗：555.5

內(nèi)層（L2,L4,L7,L8）線寬：5.5mil,阻抗：555.5L1L2L3L44.8mil8.6mil11.2mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)6mil6milL5L61oz(P/G)1oz(SIG)8.6mil1oz(SIG)6milL7L84.8mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)6milL9L101oz(SIG)中國科大快電子學(xué)安琪82PCB標(biāo)準(zhǔn)模板4.10層板模板A：L1L2L3L44.8PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗差分阻抗板厚：2.mm0.2mm外層（L1,L10）差分：線寬7.5mil;間距：12.5mil阻抗100單線：線寬9.5mil;阻抗49

內(nèi)層（L2,L4,L8）差分線寬：6mil；間距：9mil,差分阻抗：100L1L2L3L45.8mil7.5mil7.5mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)9mil9milL5L61oz(P/G)7.5mil1oz(SIG)9milL7L85.8mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)9milL9L101oz(SIG)1oz(P/G)中國科大快電子學(xué)安琪83PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板B：L1L2L3L45.8mil7.5PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板A：

材料：FR4

阻抗類型：一般特性阻抗差分阻抗板厚：2.1mm0.2mm外層（L1,L12）差分：線寬6mil;間距：13mil阻抗100單線：線寬6.5mil;阻抗50

內(nèi)層（L4,L6,L8,L10）差分線寬：5.5mil；間距：14mil,差分阻抗：98L1L2L3L44mil7.5mil7.5mil0.5oz(SIG)1oz(P/G)1oz(SIG)1oz(P/G)6mil6milL5L61oz(P/G)7.5mil1oz(SIG)6milL7L87.5mil1oz(P/G)1oz(SIG)6milL9L101oz(SIG)1oz(P/G)5.12層板4mil1oz(P/G)0.5oz(SIG)L11L126mil中國科大快電子學(xué)安琪84PCB標(biāo)準(zhǔn)模板模板A：L1L2L3L44mil7.5mi演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號完整性安琪中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室2005年4月9日中國科大快電子學(xué)安琪86高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號完整性安琪中國科大快電子學(xué)第二講：串?dāng)_與多層PCB板分層考慮2-1“地”概念2-2信號電流的返回2-3地平面上信號返回電流的串?dāng)_（Crosstalk）2-4非理想的信號返回電流通道2-5保護(hù)線2-6近端和遠(yuǎn)端的串?dāng)_2-7多層PCB板分層設(shè)計(jì)中國科大快電子學(xué)安琪87第二講：串?dāng)_與多層PCB板分層考慮2-1“地”概念中國科2-1“地”概念電子學(xué)中“地”的解釋，不同的人可以有不同的說法。

對于數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)人員來說，它涉及到對于數(shù)字邏輯信號的一個(gè)參考電平；

對于系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，它可以是連接電路的金屬外殼或機(jī)箱；

對于一個(gè)電工來說，它指的是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第三根“安全”地線。

然而，從一般的意義上講，我們可以將“地”的概念從兩個(gè)方面來認(rèn)識(shí)：

安全地（SafetyGround）。

信號的零電位參考（0VReferenceGround）。中國科大快電子學(xué)安琪882-1“地”概念電子學(xué)中“地”的解釋，不同的人可以有兩個(gè)定義

安全地若一個(gè)“地”通過一個(gè)低阻抗通道連接到大地（Earth）上，我們稱這個(gè)地為安全地。

信號的零電平參考在電路系統(tǒng)中，信號“地”通常被定義為一個(gè)等電位的參考點(diǎn)，一般是采用零電位參考點(diǎn)，所以信號“地”被稱為零電位參考，或者說零電平參考。一個(gè)基本的概念往往被忽視，這就是電路中信號電流需要一個(gè)返回通道，以返回到它的源頭，即出發(fā)點(diǎn)。因此，當(dāng)我們討論這個(gè)