引 言

　　隨著單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設計好的、使用很穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)，現在可能出現莫名其妙的錯誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產品需要采用高速單片機來實現，設計人員如何快速掌握高速設計呢？

　　硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實現功能。硬件設計工程師可以直接通過驗證功能是否實現，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當多，這里就不敘述了。硬件可靠性設計，主要表現在電氣、熱等關鍵參數上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設計等5個部分。

　　1 特性阻抗

　　近年來，在數字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時，還應考慮電磁波和有關方波傳播的問題。這樣，原來簡單的導線，逐漸轉變成高頻與高速類的復雜傳輸線了。

　　在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號的銅導線可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應，會得到以下公式：

　　式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。

　　PCB的特性阻抗Z0與PCB設計中布局和走線方式密切相關。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質的介電常數和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。

　　在PCB的特性阻抗設計中，微帶線結構是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線結構有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dual-stripline）。下面只說明表面微帶線結構，其它幾種可參考相關資料。表面微帶線模型結構如圖2所示。

　　Z0的計算公式如下：

　　對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：

　　公式中：

　　——PCB基材的介電常數；

　　b——PCB傳輸導線線寬；

　　d1——PCB傳輸導線線厚；

　　d2——PCB介質層厚度；

　　D——差分線對線邊沿之間的線距。

　　從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個參數，可以得到相應的特性阻抗。

　　2 信號完整性（SI）

　　SI是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應時，就出現了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現為5個方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。

　　延遲是指信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出到達接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時序產生影響。在高速數字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數。

　　當PCB板上導線（高速數字系統(tǒng)中稱為傳輸線）的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，信號到達接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發(fā)生畸變，甚至出現信號的過沖和下沖。如果信號在傳輸線上來回反射，就會產生振鈴和環(huán)繞振蕩。

　　由于PCB板上的任何兩個器件或導線之間都存在互容和互感，因此，當一個器件或一根導線上的信號發(fā)生變化時，其變化會通過互容和互感影響其它器件或導線，即串擾。串擾的強度取決于器件及導線的幾何尺寸和相互距離。

　　信號質量表現為幾個方面。對于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時間、下降時間等，在此就不作詳細介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。

　　①高電平時間（high time），指在一個正脈沖中高于Vih_min部分的時間。

　　②低電平時間（low time），指在一個負脈沖中低于Vil_max部分的時間，如圖3所示。

　?、劢r間（setup time），指一個輸入信號（input signal）在參考信號（reference signal）到達指定的轉換前必須保持穩(wěn)定的最短時間。

　?、鼙３謺r間（hold time），是數據在參考引腳經過指定的轉換后，必須穩(wěn)定的最短時間，如圖4所示。

　　⑤建立時間裕量（setup argin），指所設計系統(tǒng)的建立時間與接收端芯片所要求的最小建立時間的差值。

　　⑥保持時間裕量（hold argin），指所設計系統(tǒng)的保持時間與接收端芯片所要求的最小保持時間之間的差值。

　　⑦時鐘偏移（clock skew），指不同的接收設備接收到同一時鐘驅動輸出之間的時間差。

　?、郥co（time clock to output，時鐘延遲），是一個定義包括一切設備延遲的參數，即Tco=內部邏輯延遲 （internal logic delay） + 緩沖器延遲（buffer delay）。

　?、嶙畲蠼洑v時間（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到達高閾值電壓的時間，并保持高電平之上，減去驅動所需的緩沖延遲。

　?、庾钚〗洑v時間（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到達低閾值電壓的時間，減去驅動所需的緩沖延遲。

　　時鐘抖動（clock jitter），是由每個時鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動而引起的。一般由于PLL在時鐘驅動時的不穩(wěn)定性引起，同時，時鐘抖動引起了有效時鐘周期的減小。

　　串擾（crosstalk）。鄰近的兩根信號線，當其中的一根信號線上的電流變化時（稱為aggressor，攻擊者），由于感應電流的影響，另外一根信號線上的電流也將引起變化（稱為victim，受害者）。

　　SI是個系統(tǒng)問題，必須用系統(tǒng)觀點來看。以下是將問題的分解。

　　◆ 傳輸線效應分析：阻抗、損耗、回流……

　　◆ 反射分析：過沖、振鈴……

　　◆ 時序分析：延時、抖動、SKEW……

　　◆ 串擾分析

　　◆ 噪聲分析：SSN、地彈、電源下陷……

　　◆ PI設計：確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式……

　　◆ PCB、器件的寄生參數影響分析

　　◆ 端接技術等