高速PCB設計入門概念問答

要做高速的PCB設計，首先必須明白下面的一些基本概念，這是基礎。

1、什麼是電磁干擾（EMI）和電磁兼容性(EMC)?
(Electromagnetic Interference)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。 傳導干擾是指通過導電介質把一個電網路上的信號耦合（干擾）到另一個電網路。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網路。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波並影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。
    自從電子系統降噪技術在70年代中期出現以來，主要由於美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。

2、什麼是信號完整性(signal integrity)?
    信號完整性是指信號在信號線上的質量。信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時候，具有所必需達到的電壓電平數值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的，而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。
常見信號完整性問題及解決方法

3、什麼是反射(reflection)?
    反射就是在傳輸線上的回波。信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸到線上並達到負載處，但是有一部分被反射了。如果源端與負載端具有相同的阻抗，反射就不會發生了。
    源端與負載端阻抗不匹配會引起線上反射，負載將一部分電壓反射回源端。如果負載阻抗小於源阻抗，反射電壓為負，反之，如果負載阻抗大於源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經過連接器的傳輸及電源平面的不連續等因素的變化均會導致此類反射。

4、什麼是串擾(crosstalk)?
    串擾是兩條信號線之間的耦合，信號線之間的互感和互容引起線上的雜訊。容性耦合引發耦合電流，而感性耦合引發耦合電壓。PCB板層的參數、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性及線端接方式對串擾都有一定的影響。

5、什麼是過沖(overshoot)和下沖(undershoot)?
    過沖就是第一個峰值或谷值超過設定電壓——對於上升沿是指最高電壓而對於下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。過分的過沖能夠引起保護二極體工作，導致過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數據錯誤(誤操作)。

6、什麼是振蕩(ringing)和 環繞振蕩（rounding）?
    振蕩的現象是反覆出現過沖和下沖。信號的振蕩和環繞振蕩由線上過度的電感和電容引起，振蕩屬於欠阻尼狀態而環繞振蕩屬於過阻尼狀態。信號完整性問題通常發生在周期信號中，如時鐘等，振蕩和環繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當的端接予以減小，但是不可能完全消除。

7、什麼是地電平面反彈雜訊和迴流雜訊?
    在電路中有大的電流涌動時會引起地平面反彈雜訊（簡稱為地彈），如大量晶元的輸出同時開啟時，將有一個較大的瞬態電流在晶元與板的電源平面流過，晶元封裝與電源平面的電感和電阻會引發電源雜訊，這樣會在真正的地平面（0V）上產生電壓的波動和變化，這個雜訊會影響其它元器件的動作。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。
    由於地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等，當數字信號走到模擬地線區域時，就會產生地平面迴流雜訊。同樣電源層也可能會被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在多電壓PCB設計中，地電平面的反彈雜訊和迴流雜訊需要特別關心。

8、在時域(time domain)和頻域(frequency domain)之間有什麼不同?
    時域(time domain)是以時間為基準的電壓或電流的變化的過程，可以用示波器觀察到。它通常用於找出管腳到管腳的延時(delays)、偏移(skew)、過沖(overshoot)、、下沖(undershoot)以及建立時間(settling times)。
    頻域(frequency domain)是以頻率為基準的電壓或電流的變化的過程，可以用頻譜分析儀觀察到。它通常用于波形與FCC和其它EMI控制限制之間的比較。

9、什麼是阻抗(impedance)?
    阻抗是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。當一個源送出一個信號到線上，它將阻礙它驅動，直到2*TD時，源並沒有看到它的改變，在這裡TD是線的延時(delay)。

10、什麼是建立時間(settling time)?
    建立時間就是對於一個振蕩的信號穩定到指定的最終值所需要的時間。

11、什麼是管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(delay)?
    管腳到管腳延時是指在驅動器端狀態的改變到接收器端狀態的改變之間的時間。這些改變通常發生在給定電壓的50%，最小延時發生在當輸出第一個越過給定的閾值(threshold)，最大延時發生在當輸出最後一個越過電壓閾值(threshold) ，測量所有這些情況。

12、什麼是偏移(skew)?
    信號的偏移是對於同一個網路到達不同的接收器端之間的時間偏差。偏移還被用於在邏輯門上時鐘和數據達到的時間偏差。

13、什麼是斜率(slew rate)?
    Slew rate就是邊沿斜率(一個信號的電壓有關的時間改變的比率)。I/O 的技術規範 (如PCI)狀態在兩個電壓之間，這就是斜率(slew rate)，它是可以測量的。

14、什麼是靜態線(quiescent line)?
    在當前的時鐘周期內它不出現切換。另外也被稱為 "stuck-at" 線或static線。串擾(Crosstalk)能夠引起一個靜態線在時鐘周期內出現切換。

15、什麼是假時鐘(false clocking)?
    假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(有時在VIL 或VIH之間)。通常由於過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。