高速數字電路的電磁兼容性設計

引 言

縱觀電子行業(yè)的發(fā)展，1992年只有40％的電子系統(tǒng)工作在30 MHz以上，而且器件多使用DIP、PLCC等體積大、引腳少的封裝形式；到1994年，已有50％的設計達到了50 MHz的頻率，采用PGA、QFP、RGA等封裝的器件越來越多；1996年之后，高速設計在整個電子設計領域所占的比例越來越大，100 MHz以上的系統(tǒng)已隨處可見，采用CS（線焊芯片級BGA）、FG（線焊腳距密集化BGA）、FF（倒裝芯片小間距BGA）、BF（倒裝芯片．BGA）、BG（標準BGA）等各種BGA封裝的器件大量涌現，這些體積小、引腳數已達數百甚至上千的封裝形式已越來越多地應用到各類高速、超高速電子系統(tǒng)中。

從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來看，芯片體積越來越小、引腳數越來越多；同時，由于近年來IC工藝的發(fā)展，使得其速度也越來越高。這就帶來了一個問題，即電子設計的體積減小導致電路的布局布線密度變大，而同時信號的頻率還在提高，從而使得如何處理高速信號問題成為一個設計能否成功的關鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復雜度和時鐘頻率的迅速提高，信號邊沿不斷變陡，印刷電路板的線跡互連和板層特性對系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對于低頻設計，線跡互連和板層的影響可以不考慮，但當頻率超過50 MHz時，互連關系必須考慮，而在*定系統(tǒng)性能時還必須考慮印刷電路板板材的電參數。因此，高速系統(tǒng)的設計必須面對互連延遲引起的時序問題以及串擾、傳輸線效應等信號完整性（Signal Integrity，SI）問題。

當硬件工作頻率增高后，每一根布線網絡上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線，對其他電子設備產生電磁輻射或與其他設備相互干擾，從而使硬件時序邏輯產生混亂。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）的標準提出了解決硬件實際布線網絡可能產生的電磁輻射干擾以及本身抵抗外部電磁干擾的基本要求。

1 高速數字電路設計的幾個基本概念

在高速數字電路中，由于串擾、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號完整性問題，本來在低速電路中無需考慮的因素在這里就顯得格外重要；另外，隨著現有電氣系統(tǒng)耦合結構越來越復雜，電磁兼容性也變成了一個不能不考慮的問題。

要解決高速電路設計的問題，首先需要真正明白高速信號的概念。高速不是就頻率的高低來說的，而是由信號的邊沿速度決定的，一般認為上升時間小于4倍信號傳輸延遲時可視為高速信號。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中，也會出現信號完整性的問題。這是由于隨著集成電路工藝的提高，所用器件I／O端口的信號邊沿比以前更陡更快，因此在工作時鐘不高的情況下也屬于高速器件，隨之帶來了信號完整性的種種問題。

2 高速數字電路設計的基本要求

在PCB設計中，電磁兼容性的分析也離不開布線網絡本身的信號完整性，主要分析實際布線網絡可能產生的電磁輻射和電磁干擾，以及電路板本身抵抗外部電磁干擾的能力，并且依據設計者的要求提出布局和布線時抑制電磁輻射和干擾的規(guī)則，作為整個PCB設計過程的指導原則。電磁輻射分析主要考慮PCB板與外部接口處的電磁輻射、PCB板中電源層的電磁輻射以及大功率布線網絡動態(tài)工作時對外的輻射問題。對于高速數字電路設計，尤其是總線上數字信號速率高于50 MHz時，以往采用集總參數的數學模型來分析EMC／EMI特性顯得無能為力，設計者們更趨向于采用分布離散參數的數學模型做布線網絡的傳輸線分析（TALC）。對于多塊PCB板通過總線連接而成的電子系統(tǒng)，還必須分析不同PCB板之間的電磁兼容性能。

針對高速數字電路設計中的電磁兼容性和信號完整性問題，在進行高速PCB板設計時需要從以下一些方面進行考慮。

2.1 端接匹配

由源端與負載端阻抗不匹配導致的傳輸線上阻抗不連續(xù)，會引起信號線上的反射，負載將一部分電壓反射回源端，造成電平的抬高，對器件產生破壞性的影響。同時，由于任何傳輸線上都存在固有的電感和電容，如果信號在傳輸線上來回反射，必然會產生振鈴和環(huán)繞振蕩現象，引起電路時序的失調。采用源端或終端的端接匹配是一個比較好的解決方法。

用圖1所示的理想傳輸線模型來分析與信號反射有關的重要參數。圖中，理想傳輸線L被內阻為R0的數字信號驅動源Vs驅動，傳輸線的特性阻抗為Z0，負載阻抗為RL。

負載端阻抗與傳輸線阻抗不匹配會在負載端（B點）反射一部分信號回源端（A點），反射電壓信號的幅值由負載反射系數ρL決定：

式中ρL稱為負載電壓反射系數，它實際上是反射電壓與入射電壓之比。

由式（1）可見，-1≤ρL≤+1，且當RL=Z0時，ρL=0，這時就不會發(fā)生反射。即只要根據傳輸線的特性阻抗進行終端匹配，就能消除反射。從原理上說，反射波的幅度可以大到入射電壓的幅度，極性可正可負。當RLL《0，處于過阻尼狀態(tài)，反射波極性為負；當RL》Z0時，ρL》0，處于欠阻尼狀態(tài)，反射波極性為正。

當從負載端反射回的電壓到達源端時，又將再次反射回負載端，形成二次反射波，此時反射電壓的幅值由源反射系數ρS決定：

傳輸線的端接通常采用兩種策略：負載端并行端接匹配、源端串行端接匹配。只要負載反射系數或源反射系數二者任一為零，反射都將被消除。并行端接在信號能量反射回源端之前在負載端消除反射，即使ρL=0，消除一次反射，這樣可以減小噪聲、電磁干擾（EMI）及射頻干擾（RFI）；串行端接則是在源端消除由負載端反射回來的信號，即使ρs=0和ρL=1（負載端不加任何匹配），只是消除二次反射，在發(fā)生電平轉移時，源端信號會出現持續(xù)時間為2TD（TD為信號源端到終端的傳輸延遲）的半波波形，這意味著沿傳輸線不能加入其他信號輸入端，因為在上述2TD時間內會出現不正確的邏輯態(tài)。兩種端接策略各有其優(yōu)缺點，不過由于并行端接的匹配網絡需要與電源連接，使用較為復雜；串行端接只需要在信號源端串入一個電阻，消耗功率小而且易于實現，有較大的實際工程應用價值，所以被廣泛采用。

2.2 防止地彈

當PCB板上的眾多數字信號同步進行切換時（如CPU的數據總線、地址總線等），由于電源線和地線上存在阻抗，會產生同步切換噪聲（Simultaneous SwitchNoise，SSN）。與此同時，由于芯片封裝電感的存在，在電路同步切換過程中形成的大電流涌動會引起地平面的反彈噪聲（簡稱為地彈），這樣在真正的地平面（0 V）上就要產生電壓的波動和變化，這個噪聲會影響其他元器件的動作。

SSN和地彈的強度也取決于集成電路的I／O特性、PCB板電源層和地平面層的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布線方式，負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增大、同時開關器件數目的增加均會導致地彈的增大。在高速PCB電路設計中可以采取以下一些基本措施來減小SSN和地彈的影響：

①降低輸出翻轉速度。一些新的總線驅動器件采用內嵌的電路設計，在對傳輸延時影響最小的前提下，降低翻轉速度。

②采用分離的專門參考地。分離的參考地由于電流很小，地反射現象會大大減小。分離地的芯片要注意使每個地線能夠有直接到地平面的最短路徑。

③降低系統(tǒng)供給電源的電感。高速電路設計中要求使用單獨的電源層，并讓電源層和地平面盡量接近。

④降低芯片封裝中的電源和地引腳的電感。比如增加電源／地的引腳數目，減短引線長度，盡可能采用大面積鋪銅。

⑤增加電源和地的互感。要讓電源和地的引腳成對分布，并盡量靠近。

⑥給系統(tǒng)電源增加旁路電容，這些電容可以給高頻的瞬變交流信號提供低電感的旁路，而變化較慢的信號仍然走系統(tǒng)電源回路。