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高速电路设计:分析了一块多层板后的感悟

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cuianbin|  楼主 | 2013-12-2 14:20 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 cuianbin 于 2013-12-2 14:23 编辑

善于学习,学会分享,欢迎指正。
十层板 层叠结构:   上面有FPGA  DSP  CPLD、 ARM  蛮复杂的
、板子不是我画的,我分析了下它的布线技巧,有些感悟,写下来跟大家分享下:
1.顶层和底层基本不走信号线,基本上用来扇出器件的引脚后,立即打过孔到中间层去走。一些不关键的信号线,可以在这两层走走,但是很少。
   原因:顶层和底层的阻抗不容易控制。高速信号线在这两层走的话,也不利于EMC。
2.电源线: 几乎全部是用粗的铜皮做连接。
   原因:这样做的好处无疑是有利于大电流流过。我们通常是画线的,这样虽然容易布线,效果没有铜皮来的好。
3.从DAC 到FPGA的数据线(单端):
   为了等长,有的走了蛇形线,除了在走线起始位置处为了扇出而打的过孔外,全程都没有打过孔,有利于信号完整性的保持。
4.从DAC 到FPGA的时钟线(差分)
   严格等长和对称
5. 电源平面。
   有两个电源平面。电源种类太多,5\3.3\2.5\1.4\1.8\1V 、 有一个平面做了分割,分割的技巧是 根据某个IC主要是哪个电源供电,就分一大片铜皮作为该电源。直接从电源引脚扇出过孔打到该电源平面的相应区域上。另一个平面基本保持完整的3.3V。
6.地平面。
  板上有模拟地和数字地,在两个地平面上都做了分割。但是,由于模拟地出自四片DAC,在布局的时候把它们布到了板子的边缘,这样AGND 只占了一小部分,DGND占据板子的绝大部分。因此,地平面的完整性保持的很好。而且没有任何信号线,跨越这两个分割平面。


7. 关于多层板中,有了专用的地平面,那么顶层和底层中 还需要铺地吗?
  在这个板子中是铺了的。通过过孔和下面的地平面相连接。我觉得这是很合理的,一方面是为了更好的信号回流,另一方也为了美观。我看过一些人说不必铺地,始终有所怀疑。因为我见过的四层板、六层板,顶层和底层都是铺地了的。
8. 中间的信号层,只允许走信号线吗?能不能走电源线和地线呢?
   可以。信号层中可以有GND的铜皮,也可以有电源的铜皮。但是电源层和地层中就不要走信号线了。
9. 关于阻抗匹配的计算。
     这是个困惑我很久的问题,我以前一直不知道怎么做阻抗匹配,最近看了王剑宇的一本《高速电路设计实践》,有点恍然大悟的感觉。
     (1)哪些线需要做阻抗匹配?
            信号上升沿变化很快,而信号线又比较长,满足高速信号的定义(随便哪本高速电路的书籍都能找到)就要考虑给传输线做阻抗匹配。
  单端信号一般做50欧姆,差分信号有做90欧姆的。一些很短的线或者速度不是很快的线不必做阻抗匹配。
      (2)怎么做阻抗匹配?
             首先确定好叠层结构后,向线路板厂商,要一些资料,这些资料包括:绿油的介电常数,PP片的厚度、铜线的厚度、板材的介电常数。
            
剩下的交给阻抗匹配工具软件如  SI 9000,去计算就行了。 单端信号线我们一般是得到在以多宽的信号线去画的时候,正好是传输线阻抗为50欧姆。
差分信号线,我们除了考虑信号线的宽度外,还会得到,差分线之间的距离。

10. 在高速电路设计和多层板设计中,Allegro 的优势不是 AltiumDesigner 所能比拟的。超强的规则约束是最大亮点。还有使用起来,Allegro 给人的感觉就是快。比如你想关掉Allegro 花掉的时间和关掉AD 的时间,就能感受出来。不过对于我这个用惯了AD的人来说,要转Allegro,真是蛋疼!

欢迎对我列出的这几项给予点评和指教!   

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么么沫沫| | 2013-12-2 15:21 | 只看该作者

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siyida| | 2013-12-3 14:41 | 只看该作者

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lostpod| | 2013-12-3 15:18 | 只看该作者
没有实物参照,光看你写的,有些不明白。。。。如果可以,板子共享一下,我也学习学习。

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5
阮天宇00| | 2013-12-3 19:24 | 只看该作者
本帖最后由 阮天宇00 于 2013-12-4 08:33 编辑

lihai

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6
阮天宇00| | 2013-12-3 19:25 | 只看该作者
层厚似乎有点问题~

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7
阮天宇00| | 2013-12-3 19:41 | 只看该作者
第7条,铺铜为了对称的多吧~

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8
阮天宇00| | 2013-12-3 19:42 | 只看该作者
第一条,请高人来解答吧~我记得好像顶层的阻抗是容易控制的~:P

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9
cuianbin|  楼主 | 2013-12-3 23:52 | 只看该作者
不结贴,还真没人仔细看哇

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10
cuianbin|  楼主 | 2013-12-4 08:36 | 只看该作者
阮天宇00 发表于 2013-12-3 19:24
lihai

说出2的原因,为什么不可以是1.4mil?

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11
cuianbin|  楼主 | 2013-12-4 08:44 | 只看该作者
阮天宇00 发表于 2013-12-3 19:41
第7条,铺铜为了对称的多吧~

有道理。
高速数字电路当中,如果铺地,会改变阻抗,因为信号路径不仅和返回路径(内层地)有
耦合,和顶层的plane也会耦合。实质上,较长距离后波形会出现台阶失真。
  
信号路径会对顶层plane产生串扰,所以应该在每个信号的空间延展内放置3个过孔,
这样可以减少对顶层plane的影响,而且如果顶层两个信号线的时候,两个信号线之间
的接地plane可以有效减少信号之间的串扰。
  
所以呢,如果在意单根线的阻抗性能,应该不铺铜,但是实际上由于PCB的制作误差就很大,所以铺铜引起的阻抗变化基本很小的,如果真的在意,只要把铺铜和信号路径的距离变大使耦合减小就行了。铺铜引起的台阶失真在长距离的时候也要重视。可是长距离的时候,传输线的损耗更重要。所以我觉得铺铜对单根信号的性能影响有限。
如果在意两个线间串扰,应该在两个信号路径之间铺接地铜,会使串扰减少25%左右。
在RF电路中可以做到更好的隔离度。
  
表层铺铜最重要的地方是EMI和EMC。表层铺铜必须接地(或者直流网络),必须和内层有良好的通路,也就是最短波长的10~20分之一处就应该有一个过孔。
  
如果铺铜,必须对称,否则翘板。表面铺铜必须开窗。
  
其实我觉得如上原则应该在模拟电路中也可以用到的。

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12
cuianbin|  楼主 | 2013-12-4 08:48 | 只看该作者
lostpod 发表于 2013-12-3 15:18
没有实物参照,光看你写的,有些不明白。。。。如果可以,板子共享一下,我也学习学习。 ...

这个是不能上传的。其实类似这种板子 以前论坛上就有啊,这是个带DDR3的板子,要用高版本 至少16.5以上才能打开。
这是众多PCB中的冠军作品,画的非常好。
冠军选手作品.zip (741.07 KB)

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13
cuianbin|  楼主 | 2013-12-4 08:54 | 只看该作者
阮天宇00 发表于 2013-12-3 19:42
第一条,请高人来解答吧~我记得好像顶层的阻抗是容易控制的~

这是我看的《高速电路设计实践》这本书上的,书上说“表层信号处于FR4与空气这两种介质之间,空气的相对介电常数略大于1.而FR4相对介电常数为4.2,即表层信号所处介质的相对介电常数在1和4.2之间,这个值不好确定,而计算过程中,选用的ER是4.2,将使计算结果存在一定偏差,这也是表层阻抗控制效果差的原因”
   当然尽信书不如无书。

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14
tt1034| | 2013-12-4 09:05 | 只看该作者
下载学习

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15
zjh6607476| | 2013-12-4 10:17 | 只看该作者
学习了!!

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16
Leeone| | 2013-12-4 15:35 | 只看该作者
学习了,正在琢磨多层板设计

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17
doomer| | 2013-12-8 15:22 | 只看该作者
thanks for your sharing ! greatly appreciated!

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18
阮天宇00| | 2013-12-9 13:05 | 只看该作者
本帖最后由 阮天宇00 于 2013-12-9 13:07 编辑
cuianbin 发表于 2013-12-4 08:36
说出2的原因,为什么不可以是1.4mil?

看错了~看成层厚了~sorry~层厚是左边的4mil没问题~

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19
wqf_wh| | 2013-12-10 12:54 | 只看该作者
努力学习中

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pengchengwang| | 2013-12-11 11:11 | 只看该作者
学习了

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