高速
PCB
设计基础理论及应用
中½
PCB
技术½下½½（www.pcbtech.net）
Jimmy/Yinko/阿鸣
高速 PCB 设计基础理论及应用
前
言 .......................................... 4
第一章 高速数字电路概述
............................ 6
1.1 ½为高速电路
............................................................................................................6
1.2 高速带来的问题及设计流程剖析
.......................................................................7
1.3 相关的一些基本概念
..............................................................................................9
第二章
传输线理论
............................... 12
2.1 分布式系统和集总电路
........................................................................................13
2.2 传输线的 RLCG 模型和电报方程
........................................................................14
2.3 传输线的特征阻抗
.................................................................................................15
2.3.1 特性阻抗的本质
.............................................................................................15
2.3.2 特征阻抗相关计算
........................................................................................16
2.3.3 特性阻抗对信号完整性的½响
.................................................................18
2.4 传输线电报方程及推导
........................................................................................19
2.5 趋肤效应和集束效应
............................................................................................24
2.6 信号的反射
..............................................................................................................26
2.6.1 反射机理和电报方程
....................................................................................26
2.6.2 反射导致信号的失真问题
...........................................................................30
2.6.2.1
过冲和下冲
.................................................................................................31
2.6.2.2
振荡：
..........................................................................................................32
2.6.3 反射的抑制和匹配
........................................................................................34
2.6.3.1
串行端接
.....................................................................................................35
2.6.3.1
并行端接
.....................................................................................................36
2.6.3.3
多负½½的端接
............................................................................................38
第三章 串扰的分析
................................ 40
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
串扰的基本概念
.....................................................................................................40
前向串扰和后向串扰
............................................................................................41
后向串扰的反射
.....................................................................................................44
后向串扰的饱和
.....................................................................................................44
共模和差模电流对串扰的½响
..........................................................................46
连接器的串扰问题
.................................................................................................49
串扰的具½计算
.....................................................................................................52
避免串扰的措½
.....................................................................................................55
第四章
EMI
抑制
.................................. 58
4.1 EMI/EMC 的基本概念
.............................................................................................58
4.2 EMI 的产生
................................................................................................................59
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4.2.1 电压瞬变
..........................................................................................................59
4.2.2 信号的回流
......................................................................................................60
4.2.3 共模和差摸 EMI
..............................................................................................61
4.3 EMI 的控制
................................................................................................................63
4.3.1 屏½
...................................................................................................................63
4.3.1.1
电场屏½
.....................................................................................................63
4.3.1.2
磁场屏½
.....................................................................................................65
4.3.1.3
电磁场屏½
.................................................................................................65
4.3.1.4
电磁屏½½和屏½效率
..........................................................................66
4.3.2 滤波
...................................................................................................................69
4.3.2.1
去耦电容
.....................................................................................................69
4.3.2.3
磁性元件
.....................................................................................................71
4.3.3 接地
...................................................................................................................72
4.4 PCB 设计中的 EMI
...................................................................................................73
4.4.1 传输线 RLC 参数和 EMI
...................................................................................74
4.4.2 叠层设计抑制 EMI
.........................................................................................75
4.4.3 电容和接地过孔对回流的½用
.................................................................76
4.4.4 布局和走线规则
.............................................................................................77
第五章 电源完整性理论基础
......................... 80
5.1 电源噪声的起因及危害
........................................................................................80
5.2 电源阻抗设计
..........................................................................................................83
5.3 同步开关噪声分析
.................................................................................................85
5.3.1 芯片内部开关噪声
........................................................................................86
5.3.2 芯片外部开关噪声
........................................................................................87
5.3.3 等效电感衡量 SSN
.........................................................................................88
5.4 旁路电容的特性和应用
........................................................................................90
5.4.1 电容的频率特性
.............................................................................................91
5.4.3 电容的介质和封装½响
...............................................................................93
5.4.3 电容并联特性及反谐振
...............................................................................93
5.4.4 如½选择电容
.................................................................................................95
5.4.5 电容的摆放及 Layout
...................................................................................97
第六章
系统时序 .............................. 98
6.1 普通时序系统
..........................................................................................................98
6.1.1 时序参数的确定
.............................................................................................99
6.1.2 时序约束条件
...............................................................................................104
6.2 源同步时序系统
...................................................................................................106
6.2.1 源同步系统的基本结构
.............................................................................107
6.2.2 源同步时序要求
...........................................................................................108
第七章
IBIS
模型
................................. 111
7.1 IBIS 模型的由来
.................................................................................................. 111
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7.2
7.3
7.4
7.5
IBIS 与 SPICE 的比较
......................................................................................... 111
IBIS 模型的构成
..................................................................................................113
½用 IBIS 模型
......................................................................................................116
IBIS 相关工具及链接
.........................................................................................118
第八章 高速设计理论在实际中的运用
................. 119
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
叠层设计方案
........................................................................................................119
过孔对信号传输的½响
......................................................................................124
一般布局规则
........................................................................................................126
接地技术
.................................................................................................................127
PCB 走线策略
.........................................................................................................131
参考资料
....................................... 140
附½一 关于
EMI
的一些分类
........................ 143
附½二 常见多层板叠层方案
........................ 146
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随着系统频率和电路复杂度的不断提高，
PCB
设计面临着越来越多高速问题
的挑战，信号完整性也成为系统设计工程师们经常挂在嘴边的一个词眼。要想顺
利地完成各种高速多层
PCB
板的设计，并保证良½的电气性½，首先就必须要
了解高速设计的各种相关理论，在此基础上，再从不断的实践中积累经验，这样
才½最终达到一个较高的设计水平，
这是一个理论和实践相融合的螺旋式的渐进
提升的过程。
½内对高速信号完整性的研究起步较晚，只有些大公司才有专门的研究部
门，因此市场还是很广阔的。这½然给大多数同行带来了不少机遇，½同时也带
来了强烈的竞争，
越早掌握高速的设计理论和拥有越多经验的人将会争取到越多
的机会和提升空间。对于初学者来说，可½遇到的最大困难就是缺乏一½合适的
较为系统的理论学习资料，因为大多数现有的资料½是外文的，这在一定程度上
增加了学习的难度，有时还会造成理解上的偏差。
为了给初学者提供方便，我们产生了整理这½高速
PCB
设计基础理论资料
的念头，
½可½整理的全面一点，
包含了信号完整性、
电磁兼容性、
电源完整性、
系统时序等诸方面的内容。写的不是很深，讨论的也不够全面，½½量做到½涉
及绝大多数最基本的问题，希望½给广大同行带来一些帮助。
本文主要分为八章，第一章主要阐述高速电路的基本概念；第二章为传输线
理论以及反射机理；第三章重点阐述了串扰的本质；第四章分析了
EMI
的产生
和抑制；第五章讨论了电源完整性的基础知识及旁路电容的特性；第六章是对系
统时序约束条件的分析；第七章介绍了
IBIS
模型的一些基本知识；第八章是实
际
PCB
设计中的一些应用。主要部分由
Jimmy
撰写，部分章节由
Yinko
和阿鸣
协助完成，Wendy/阿鸣进行了最后审阅及修改工½，Annie 协助了排版及校正。
本文得以完成，
还离不开中½
PCB
技术½(www.pcbtech.net)社区论坛的诸多
½友的帮助。在本人担任
PCB
技术½版主一年多的时间里，通过不断地和众多
½友的沟通、讨论、交流，不½加深了对某些知识的理解，也学到了很多实际的
经验，收获很大，这里要感谢技术½的老高、wood 给我们提供这样交流的机会
和良½的环境，同时也感谢经常参与讨论、给予赐教的½友们：poqi055，faint，
星飞，
xiechengmin，
hongdb，
money，
hmshou，
dzkcool，
sunjiangbo，
hljzk，
maorain，
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zxinfa......等等。
本资料不½算是一½教材，因为还不够系统和完善，大部分是根据个人学习
的½会和实际工½的经验总结，有些部分是翻译了½外的资料，也有些部分摘引
了½友的技术文章。½然我们½可½考虑得比较周全，½由于时间和水平有限，
无论在理解的深度上，
还是在言语的组织表达上，
½可½存在这样或那样的毛病。
本文的目的除了给初学者一定的帮助之外，还有就是起一个抛砖引玉的½用，希
望有经验的同行½不吝赐教，这样大家½½得到学习和提高的机会。如果想对文
中某些部分提出问题或进一步讨论，欢迎进入
www.pcbtech.net
社区论坛的“SI
高速电路设计”版块交流，或
Email
给
mars_ming@etang.com
和阿鸣联系。
本文章的版权½所有½者共同所有，
目前主要在中½
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技术½提供下½½，
如果其它½站需要½½½请与
mars_ming@etang.com
联系。
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