高速DSP的PCB抗干扰设计技术

只看该作者 · 2012-8-16 22:56

2 PCB高速信号电路设计技术

2.1 高速信号布线
高速信号布线采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段。要合理的选择层数来降低印制板尺寸，充分利用中间层来设置屏蔽，实现就近接地，能有效降低寄生电感，缩短信号传输长度，降低信号间的交叉干扰等等，所有这些对高速电路的可靠性工作有利。有资料显示，248第八届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术交流会论文集同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。引线弯折越少越好，最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或圆弧转折，可以减小高速信号对外的发射和相互间的耦合，减少信号的辐射和反射。

高速电路器件管脚间的引线越短越好。引线越长，带来的分布电感和分布电容值越大，会导致高速电路系统发生反射、振荡等。高速电路器件管脚间的引线层间交替越少越好，就是元件连接过程中所用的过孔越少越好。据测，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，导致电路的延时明显增加。高速电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可以在平行信号线的反面布置大面积的“地”来减少干扰。在相邻的两个层，走线的方向务必取为相互垂直。

对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。可在如时钟信号、高速模拟信号等这些不易受到干扰的信号走线的同时在外围加上保护的地线，将要保护的信号线夹在中间。各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路。如果产生环路布线电路，将在系统中产生很大的干扰。采用菊*链布线能有效的避免布线时形成环路。应该在每个集成电路块的附近设置一个或几个高频去耦电容。模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。某些高速信号线应特殊处理：差分信号要求在同一层上且尽可能的靠近平行走线，差分信号线之间不允许插入任何信号，并要求等长。

高速信号布线应尽量避免分枝或形成树桩（Stub）。高频信号线走在表层容易产生较大的电磁辐射，将高频信号线布线在电源和地线之间，通过电源和底层对电磁波的吸收，所产生的辐射将减少很多。

2.2 高速时钟信号布线
时钟电路在数字电路中占有重要地位。C64xDSP是C6000平台的最新成员，它具有足够高的处理速度。C64xDSP的高速时钟可达到1.1GHz，为早期C62xDSP的lO倍。所以在未来的DSP现代电子系统应用设计中对时钟布线要求会越来越高。高速时钟信号线优先级最高，一般在布线时，需要优先考虑系统的主时钟信号线。高速时钟信号线信号频率高，要求走线尽量地短，保证信号的失真度最小。

高频时钟，对噪声干扰特别敏感。需要对高频时钟信号线进行保护和屏蔽，将干扰降到最小。

高频时钟（20MHz以上的时钟，或上升沿少于5ns的时钟）必须有地线护送，时钟的线宽至少10rail，护送地线的线宽至少20mil。高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触，且每5em左右要打过孔与地层相连；地线护送与数据线基本等长，推荐手工拉线；时钟发送侧必须串接一个22～220Q左右的阻尼电阻。高速时钟信号走线设计尽量设计在同一层上，高速时钟信号线周围尽量没有其他的干扰源和走线。高频时钟连线建议采用星型连接或采用点对点连接，采用T型连接要保证等臂长，尽量减少过孑L数量，在晶振或时钟芯片下需敷铜防止干扰。避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。

在高速信号布线和高速时钟信号布线时，都要求走线时少打过孑L、少分枝，以免造成树桩，产生信号的反射和串绕。过孔和树桩（Stub）在高速PCB中的影响，不仅反映在对信号的影响，同时也导致导线的阻抗发生变化。而过孔和树桩对阻抗的影响，往往是设计者容易忽略的问题。

要选择合理尺寸的过孔大小。比如对4层到10层的PCB设计来说，常见的选择为10mil／20mil（钻孔／焊盘）或16mil／30mil的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的PCB，也可以使用8mil／18mil的过孔。对电源或地线的过孔可以考虑用较大尺寸，以减少阻抗。电源和地的管脚要就近放置过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，同时，电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。

最新的高密度系统级芯片采用BGA或COB封装，管脚间距日益减小。球间距已低至O.6mm，并且还会继续降低，导致封装器件信号线不可能采用传统的布线工具来引出。目前有两种方法可249第八届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术交流会论文集以解决这个问题：（1）通过球下面的过孔将信号线从下层引出；（2）采用极细布线和自由角度布线在球栅阵列中找出一条引线通道。对这种BGA或COB封装的高密度器件而言，采用宽度和空间极小的布线方式是惟一可行的，只有这样，才能保证较高的成品率和可靠性，满足高速设计要求。

2.3 BGA封装的焊盘设计
随着器件封装技术的发展，器件的封装相对尺寸越来越小。TMS320C6000系列器件有多达352个引脚，因为BGA脚间距密集，过孔离管脚很近，会产生很大的电感。对高速信号也是有害的，所以在BGA散孔时，尽量采用较小的孔。BGA的焊盘大小和BGA的脚间距之间有一个对应的关系，但不能大于BGA管脚小球的直径，通常约为它的l／10~l／5。BGA焊盘旁的过孔、焊盘在元件面均需塞孔和覆盖绿油，为了BGA的焊接，周围2era内不能出现其他器件。

3 结论
数字信号处理器是信号处理的核心，而随着高频器件的普及，印制板密度增加，干扰加大，信号质量的提高已提到了设计的首要地位。而高速DSPs的PCB电路板设计是一个非常复杂的设计过程。在进行高速电路设计时有多个因素需要加以考虑，这些因素又是相互对应。如高速器件布局时位置靠近，虽可以减小延时，但可能产生串扰和显着的热效应；走线时高速信号尽量布线在内层和少打过孔也是一个矛盾。因此在设计中，需要综合考虑各有利因素，做出全面的电路设计。

只有这样才能设计出抗干扰能力强，性能稳定，实时性高的高质量PCB电路板。