如果高速pcb設(shè)計(jì)能夠像連接原理圖節(jié)點(diǎn)那樣簡(jiǎn)單，以及像在計(jì)算機(jī)顯示器上所看到的那樣優(yōu)美的話，那將是一件多么美好的事情。然而，除非設(shè)計(jì)師初入pcb設(shè)計(jì)，或者是極度的幸運(yùn)，實(shí)際的pcb設(shè)計(jì)通常不像他們所從事的電路設(shè)計(jì)那樣輕松。在設(shè)計(jì)最終能夠正常工作、有人對(duì)性能作出肯定之前，pcb設(shè)計(jì)師都面臨著許多新的挑戰(zhàn)。這正是目前高速pcb設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀--設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)指南不斷發(fā)展，如果幸運(yùn)的話，它們會(huì)形成一個(gè)成功的解決方案。

　　絕大多數(shù)pcb是精通pcb器件的工作原理和相互影響以及構(gòu)成電路板輸入和輸出的各種數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的原理圖設(shè)計(jì)師與可能知道一點(diǎn)甚至可能一點(diǎn)也不知道將小小的原理圖連線轉(zhuǎn)換成印刷電路銅線后將會(huì)發(fā)生什么的專(zhuān)業(yè)版圖設(shè)計(jì)師相互合作的成果。通常，對(duì)最終電路板的成敗負(fù)責(zé)的是原理圖設(shè)計(jì)師。但是，原理圖設(shè)計(jì)師對(duì)優(yōu)秀的版圖技術(shù)懂得越多，避免出現(xiàn)重大問(wèn)題的機(jī)會(huì)就越多。

　　如果設(shè)計(jì)中含有高密度的fpga，很可能會(huì)有許多挑戰(zhàn)擺放在精心設(shè)計(jì)的原理圖前面。包括數(shù)以百計(jì)的輸入和輸出口數(shù)量，超過(guò)500mhz(某些設(shè)計(jì)中可能更高) 的工作頻率，以及小至半毫米的焊球間距等，這些都將導(dǎo)致設(shè)計(jì)單元之間產(chǎn)生不應(yīng)有的相互影響。

并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲

　　第一個(gè)挑戰(zhàn)很可能就是所謂的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲(ssn)或并發(fā)開(kāi)關(guān)輸出(sso)。大量的高頻數(shù)據(jù)流將在數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生振鈴和串?dāng)_之類(lèi)的問(wèn)題，而電源和地平面上也會(huì)出現(xiàn)影響整個(gè)電路板性能的地線反彈和電源噪聲問(wèn)題。

　　為了解決高速數(shù)據(jù)線上的振鈴和串?dāng)_，改用差分信號(hào)是很好的第一步。由于差分對(duì)上的一條線是吸收(sink)端，另一條提供源電流，因此能從根本上消除感應(yīng)影響。利用差分對(duì)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于電流保持在局部，因此有助于減小返回路徑中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的“反彈”噪聲。對(duì)于高達(dá)數(shù)百mhz甚至數(shù)ghz的射頻，信號(hào)理論表明，在阻抗匹配時(shí)可以傳送最大信號(hào)功率。而傳輸線匹配不好時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生反射，只有一部分信號(hào)從發(fā)端傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，而其他部分將在發(fā)送端和接收端之間來(lái)回反彈。在pcb上差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)的好壞將對(duì)阻抗匹配(以及其他方面)起很大的作用。

差分走線設(shè)計(jì)

　　差分走線設(shè)計(jì)建立在阻抗受控的pcb原理上。其模型有點(diǎn)像同軸電纜。在阻抗受控的pcb上，金屬平面層可以當(dāng)作屏蔽層，絕緣體是fr4層壓板，而導(dǎo)體則是信號(hào)走線對(duì)(見(jiàn)圖1)。fr4的平均介電常數(shù)在4.2到4.5之間。由于不知道制造誤差，有可能導(dǎo)致對(duì)銅線的過(guò)度蝕刻，最終造成阻抗誤差。計(jì)算pcb走線阻抗的最精確方法是利用場(chǎng)解析程序(通常是二維，有時(shí)候用三維)，它需要利用有限元對(duì)整個(gè)pcb批量直接解麥克斯韋方程。該軟件可以根據(jù)走線間距、線寬、線厚以及絕緣層的高度來(lái)分析emi效應(yīng)。

　　100ω特征阻抗已經(jīng)成為差分連接線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。100ω的差分線可以用兩根等長(zhǎng)的50ω單端線制作。由于兩根走線彼此靠近，線間的場(chǎng)耦合將減小線的差模阻抗。為了保持100ω的阻抗，走線的寬度必須減小一點(diǎn)。結(jié)果，100ω差分線對(duì)中每根線的共模阻抗將比50歐略為高一點(diǎn)。

　　理論上走線的尺寸和所用的材料決定了阻抗，但過(guò)孔、連接器乃至器件焊盤(pán)都將在信號(hào)路徑中引入阻抗不連續(xù)性。不用這些東西通常是不可能的。有時(shí)候，為了更合理的布局和布線，就需要增加pcb的層數(shù)，或者增加像埋孔這類(lèi)功能。埋孔只連接pcb的部分層，但是在解決傳輸線問(wèn)題的同時(shí)，也增加了板子的制作成本。但有時(shí)候根本沒(méi)有選擇。隨著信號(hào)速度越來(lái)越快，空間越來(lái)越小，像對(duì)埋孔這類(lèi)的額外需求開(kāi)始增加，這些都應(yīng)成為pcb解決方案的成本要素。 　

　　在采用帶狀線布線時(shí)，信號(hào)被fr-4材料夾在中間。而微帶線時(shí)，一條導(dǎo)體是裸露在空氣中的。因?yàn)榭諝獾慕殡姵?shù)最低(er= 1)，故頂層最適合布設(shè)一些關(guān)鍵信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)或者高頻的serial-deserial (serdes)信號(hào)。 微帶線布線應(yīng)該耦合到下方的地平面，該地平面通過(guò)吸收部分電磁場(chǎng)線來(lái)減小電磁干擾(emi)。在帶狀線中，所有的電磁場(chǎng)線耦合到上方和下方的參考平面，這大大降低了emi。如果可能的話，應(yīng)該盡量不要用寬邊耦合帶狀線設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)容易受到參考面中耦合的差分噪聲的影響。另外還需要pcb的均衡制造，這是很難控制的�？偟膩�(lái)說(shuō)，控制位于同一層上的線間距還是比較容易的。

去耦和旁路電容器

　　另一個(gè)確定pcb的實(shí)際性能是否符合預(yù)期的重要方面需要通過(guò)增加去耦和旁路電容進(jìn)行控制。增加去耦電容器有助于減小pcb的電源與地平面之間的電感，并有助于控制pcb上各處的信號(hào)和ic的阻抗。旁路電容有助于為fpga提供一個(gè)干凈的電源(提供一個(gè)電荷庫(kù))。傳統(tǒng)規(guī)則是在方便pcb布線的任何地方都應(yīng)布置去耦電容，并且fpga電源引腳的數(shù)量決定了去耦電容的數(shù)量。但是，fpga的超高開(kāi)關(guān)速度徹底打破了這種陳規(guī)。

　　在典型的fpga板設(shè)計(jì)中，最靠近電源的電容為負(fù)載的電流變化提供頻率補(bǔ)償。為了提供低頻濾波并防止電源電壓下降，要使用大的