使用Altium_Designer进行高性能PCB设计（PDF73页）

使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计2第一章高性能PCB设计的基本概念...........................................................................................31.PCB承担的任务...................................................................................................................32.设计中常见的性能问题——SI、PI、EMI及其相互影响.................................................33.了解整个系统，明确设计目标，把握关键模块...............................................................21第二章使用统一、优选的集成化器件库并与物料管理系统实时关联...................................22第三章原理图设计及其对PCB的约束与设计规划.................................................................231.原理图阶段进行PCB设计规划.........................................................................................232.复杂系统的原理图设计.......................................................................................................233.原理图阶段进行PCB规则设置.........................................................................................25第四章PCB设计前期准备..........................................................................................................271.叠层设计与阻抗控制...........................................................................................................272.原理图与PCB的双向同步.................................................................................................343.成熟模块的设计复用...........................................................................................................354.关键模块和元器件的布局...................................................................................................365.设计规则的应用...................................................................................................................39第五章PCB设计中期.................................................................................................................431.各功能模块的注意事项.......................................................................................................432.高速高密度PCB走线.........................................................................................................443.内电层分割、铺铜、过孔、去耦电容的设计...................................................................54第六章PCB设计后期.................................................................................................................611.整体检查...............................................................................................................................612.仿真与改进...........................................................................................................................653.高效率设计输出与设计归档...............................................................................................72第七章总结...................................................................................................................................72相关参考资料.......................................................................................................................................73本次课程摆脱了软件工具功能介绍和操作说明，直接从设计工程师的角度出发，针对复杂PCB设计中的基本概念、常规流程和处理方法进行介绍。通过一个完整的实际工程在AltiumDesigner平台下的实现过程使得课程更加贴近实际应用。其中适当引入了SI/PI/EMI的分析方法和大量设计经验，为学员在实际工作中应对高性能PCB设计的典型问题提供一定的参考。通过本课程，学员将会了解到高性能PCB设计的基本概念和流程，掌握一定的设计经验和处理方法；使用AltiumDesigner平台进行案例操作，将使学员从更高的层面把握EDA工具。从而在实际工作中更加游刃有余的应对各种问题。使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计3第一章高性能PCB设计的基本概念1.PCB承担的任务我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的功能，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的再分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB的昀后一个功能是控制EMI/EMC，也就是使得PCB对外界的电磁能量干扰昀小。2.设计中常见的性能问题——SI、PI、EMI及其相互影响高性能PCB设计中，为了更好的实现信号传输、电源分配、EMI控制的功能，无疑需要面对各种各样的SI、PI、EMI问题。这些问题有很多种不同的表现形式，而他们之间也会相互影响，我们在面对这些问题的时候需要综合考虑，选取昀佳的应对方案。使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计4¾高速数字信号的模拟特性如图1，一个理想的数字信号波形为矩形方波。图1理想数字信号波形而在实际传输中，由于各种因素的影响，实际的数字信号波形会成为图2所示的形式，包含了很多模拟特性，随着电子设计的高速化和小型化，数字信号的这些模拟特性已经不容忽视。图2携带模拟特性的数字信号波形使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计5¾振荡、过冲与下冲在图1和图2中我们可以看到，与理想的数字信号波形相比，实际信号昀显著的一个区别就是过冲(overshoot)和下冲(undershoot)。过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压，对于上升沿是指昀高电压，而对于下降沿是指昀低电压。下冲则是指下一个谷值或峰值超过设定电压。如图3所示，通常接收器中都有一个ESD钳拉保护结构，如果过冲的幅度过大，就会引起保护二极管工作，导致信号失效。而如果下冲幅度过大以至于超过逻辑门限电平，则会出现毛刺现象，可能引起假时钟或数据错误。图3接收器中的ESD钳拉保护结构反复出现过冲和下冲时，就产生了振荡现象。振荡是由信号线上的过渡电感和电容引起的，当线路处于欠阻尼状态时的振荡称为振铃(ringing)，而过阻尼状态时的振荡则称为环绕振荡(roungding)。振荡可以通过端接予以减小，但是不可能完全消除。¾稳定时间(settlingtime)在谈到稳定时间之前，我们不得不先介绍一下数字系统中经常提到的建立时间(setuptime)和保持时间(holdtime)，以免概念混淆。如图4，建立时间是指在时钟信号的上升沿到来之前，数据保持稳定不变的图4建立时间和保持时间时间；而保持时间是指在时钟信号的上升沿到来之后，数据保持稳定不变的时间。如果建立时间和保持时间不能满足系统要求，则数据无法稳定传输。建立时间和保持时间的概念还是使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计6属于信号的数字特性，而稳定时间(settlingtime)就是一个模拟特性，它是指信号从振荡到稳定，达到指定的昀终值，这一过程所需要的时间(如图2所示)。稳定时间对建立时间和保持时间的影响是显而易见的，而其自身的长短取决于信号线的阻尼状况。¾信号的非单调变化(non-monotonictransition)通常信号的上升沿或下降沿都是单调变化的，但由于反射、串扰等原因，有时候信号的边沿会出现非单调变化，如图5所示，如果这个非单调变化造成信号两次穿过门限电平，就会产生毛刺现象，可能造成假时钟或数据错误。图5信号的非单调变化造成毛刺使用AltiumDesigner进行高性能PCB设计7¾传输线模型在一般的电路分析中，所涉及的网络都是集总参数的，即所谓的集总参数系统。电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中与空间的各个点上，即各个元件上。各点之间的信号是瞬间传递的。集总参数系统是一种理想化的模型。它的基本特征可以归纳为：z电参数都集中在电路元件上；z元件之间连线的长短对信号本身的特性没有影响，即信号在传输过程中无畸变，信号传输不需要时间。z系统中各点的电压或电流均是时间且只是时间的函数。集总参数系统是实际情况的一种理想化近似。实际的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