高速pcb设计的叠层问题

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1、随着高速电路的不断涌现，PCB板的复杂度也越来越高，为了避免电气因素的干扰，信号层和电源层必须分离，所以就牵涉到多层PCB的设计。在多层板的设计中，对于叠层的安排显得尤为重要。一个好的叠层设计方案将会大大减小EMI及串扰的影响，在下面的讨论中，我们将具体分析叠层设计如何影响高速电路的电气性能。一．多层板和铺铜层(Plane)   多层板在设计中和普通的PCB板相比，除了添加了必要的信号走线层之外，最重要的是安排了独立的电源和地层(铺铜层)。在高速数字电路系统中，使用电源和地层来代替以前的电源和地总线的优点主要在于：1.为数字信号的变换提供一个稳定的参考电

2、压。2.均匀地将电源同时加在每个逻辑器件上3.有效地抑制信号之间的串扰   原因在于，使用大面积铺铜作为电源和地层大大减小了电源和地的电阻，使得电源层上的电压很均匀平稳，而且可以保证每根信号线都有很近的地平面相对应，这同时减小了信号线的特征阻抗，对有效地较少串扰也非常有利。所以，对于某些高端的高速电路设计，已经明确规定一定要使用6层(或以上的)的叠层方案，如Intel对PC133内存模块PCB板的要求。这主要就是考虑到多层板在电气特性，以及对电磁辐射的抑制，甚至在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的PCB板。   如果从成本的因素考虑，也并不是层数

3、越多价格越贵，因为PCB板的成本除了和层数有关外，还和单位面积走线的密度有关，在降低了层数后，走线的空间必然减小，从而增大了走线的密度，甚至不得不通过减小线宽，缩短间距来达到设计要求，往往这些造成的成本增加反而有可能会超过减少叠层而降低的成本，再加上电气性能的变差，这种做法经常会适得其反。所以对于设计者来说，一定要做到全方面的考虑。二．高频下地平面层对信号的影响   如果我们将PCB的微带布线作为一个传输线模型来看，那么地平面层也可以看成是传输线的一部分，这里可以用“回路”的概念来代替“地”的概念，地铺铜层其实是信号线的回流通路。电源层和地层通过大量的去

4、耦电容相连，在交流情况下，电源层和地层可以看成是等价的。在低频和高频下电流回路有什么不同呢?从下图中我们可以看出来，在低频下，电流是沿电阻最小的路径流回，而在高频情况下，电流是沿着电感最小的回路流回，也是阻抗最小的路径，表现为回路电流集中分布在信号走线的正下方。    高频下，当一条导线直接在接地层上布置时，即使存在更短的回路，回路电流也要直接从始发信号路径下的布线层流回信号源，这条路径具有最小阻抗，即电感最小和电容最大。这种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。   下面这个公式反映了信号线下方回流路径上的电流密度随各

5、种条件而变化的规律：     从公式中可以得出结论：在电流回路上，离信号线越近的位置，电流的密度越大，这种情况下整个回路的面积最小，因而电感也最小。同时可以想象，信号线和回路如果离的很近，两者电流大小近似相等，方向相反，在外部空间产生的磁场可以相互抵消，因此对外界的EMI也很小。所以，在叠层设置时最好保证每个信号走线层都有很近的地平面层相对应。   现在考虑地平面上的串扰问题，在高频数字电路中，造成串扰的主要原因是电感耦合的结果。从上面回路电流密度分布的公式看出，当几个信号线离的比较近的时候，相互的回路电流会产生交叠，这时候两者之间的磁场必然相互干扰，从

6、而产生串扰噪声。串扰电压的大小和信号线之间的距离D，地平面的高度H以及系数K有关，见下图：    式中K与信号的上升时间以及相互干扰的信号线的长度有关。对于叠层设置来说，无疑拉近信号层和地层的距离将会有效的减少地平面的串扰。   在实际PCB布线时经常会遇到这样一个问题，就是在对电源和地层进行铺铜时，如果不注意，可能会在铺铜区里出现一个隔离的槽，这一情况往往是由于过孔过密，或者过孔的隔离区设计不合理造成的(如图)。后果是减慢了上升时间，增加了回路面积，从而导致电感的增大，容易产生不必要的串扰和EMI，我们要避免发生这种现象。 因为回路电流绕道而增大的电感

7、大致可以表示为：L=5Dln(D/W)D代表信号线到断槽最近端的垂直距离，W是指走线的线宽。三．几种典型的叠层方案及分析   了解了上述基本知识，我们可以得出相应的叠层设计方案。总体来说，尽量遵循以下几方面的规则：1.铺铜层最好要成对设置，比如六层板的2，5或者3，4层要一起铺铜，这是考虑到工艺上平衡结构的要求，因为不平衡的铺铜层可能会导致PCB板的翘曲变形。2.信号层和铺铜层要间隔放置，最好每个信号层都能和至少和一个铺铜层紧邻。3.缩短电源和地层的距离，有利于电源的稳定和减少EMI。4.在很高速的情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建议不要多加电

8、源层来隔离，这样可能造成不必要的噪声干扰。   但实际情况是，上述谈到的各种因素