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引言 随着器件引脚密度和系统频率的增大，印刷电路板(PCB)布板越来越复杂。成功的高速电路板应能够高效的集成器件和其他模块，避免出现与高速 I/O 标准相关的信号传输问题。Altera?器件具有高速 I/O 引脚，支持多种高速特性，边沿速率不到一百皮秒，因 此，要实现成功的设计，需要： ■所有器件进行电源滤波，均匀分配电源，降低系统噪声。 ■匹配信号线，减小信号反射。 ■降低并行走线之间的串扰 ■减小地反弹效应 ■阻抗匹配 本应用笔记讨论以下问题，为使用 Altera 器件高效实现成功的电路板设计提供指南： ■材料选择 ■传输线 ■布线方法，以降低串扰，维持信号完整性。 ■匹配方法 ■同时开关噪声(SSN) 同步开关噪声■其他具体的 FPGA 电路板设计和信号完整性技巧 材料选择 取决于 PCB 介质构成材料，较快的边沿速率会带来噪声和串扰。介质材料的相对介电常数(εr)与均匀介质中反向电荷的引力(即，公式 1)相关。 公式 1： 其中，Q1，Q2 = 电荷，r = 电荷间的距离(m)，F =力(N)，ε= 介电常数(F/m) 每一 PCB 基底都有不同的相对介电常数。相对介电常数是相对于真空的介电系数(即，公式 2)。 公式 2： 其中，εr = 相对介电常数，εo = 真空介电常数(F/m)，ε= 介电常数(F/m)。 相对介电常数是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样两块板之间以真空为介质时的电容量之比。相对介电常数影响传输线的阻抗，信号在 εr 较小的介质中传输时速度较快。 当高频信号在 PCB 上从驱动器沿较长的传输线传输到接收器时，介质材料的损耗因数对信号的影响非常大。较大的损耗因数意味着较高的介质吸收。损耗因数较大的材料会影响长传输线上的高频信号。介质吸收增大了高频衰减。表 1 列出了 FR-4 和 GETEK 材料的损耗因数。 PCB 最常用的介质材料是 FR-4，它采用了环氧树脂玻璃叠层，可满足多种工艺条件要求。FR-4 的 εr 在 4.1 和 4.5 之间。GETEK 是另一种可以用于高速电路板的材料。GETEK由环氧树脂(聚苯醚)构成，εr 在 3.6 和 4.2 之间。 1. FR4 和 GETEK 材料的损耗因数 生产商 材料 损耗因数 GE Electromaterials GETEK 0.010 @ 1 MHz Isola Laminate Systems FR-4 0.019 @ 1 MHz 传输线 传输线是一种具有分布式电阻(R)、电感(L)和电容(C)的走线。有两类传输线布局： ■微带 ■带状线 1 所示是一种微带布局，走线在 PCB 的顶层和底层，只有一个电压参考平面(即，电源或者 GND)。图 2 所示是一种带状线布局，走线在 PCB 内层，有两个电压参考平面(即，电源以及 GND)。 1.微带传输线布局注释(1) 图 2.带状传输线布局 注释(2) 1 和图 2 的注释： W = 走线宽度，T = 走线厚度，H = 走线和参考平面之间的高度。 W = 走线宽度，T = 走线厚度，H = 走线和两个参考平面之间的高度。 阻抗计算 PCB 上的任何电路走线都有其特征阻抗。这一阻抗取决于走线宽度(W)、走线厚度(T)，以及所用材料的相对介电常数(εr)，走线和参考平面之间的高度(H)。 微带阻抗 PCB 外层电路走线采用了微带布局，其下有参考平面(即，GND 或者 VCC)。使用公式 来计算微带线布局的阻抗。公式 3： 公式 3 使用典型值 W = 8 mil，H = 5 mil，T = 1.4 mil，εr 和(FR-4) = 4.1，得到微带阻抗(Zo)： 公式 3 中的测量单位是 mil (即，1 mil = .001 英寸)。通常采用盎司(即，1 oz = 1.4 mil)来测量铜(Cu)走线厚度(T)。 3 显示了微带走线阻抗与走线宽度(W)的关系，使用了公式 3，保持介质高度和走线厚度不变。 3.微带走线阻抗与走线宽度的关系 4 显示了微带走线阻抗与高度(H)的关系，使用了公式 3 中的数据，保持走线宽度和走线厚度不变。 4.微带走线阻抗与走线高度的关系 阻抗图显示，阻抗变化与走线宽度成反比，与地平面之上走线高度成正比。 5 显示了微带走线阻抗与走线厚度(T)的关系，使用了公式 3，保持介质宽度和介质高度不变。图 5 显示，随着走线厚度的增加，走线阻抗在减小。 5.微带走线阻抗与走线厚度的关系 带状线阻抗 PCB 内层电路走线采用了带状线布局，其下有两个电压参考平面(即，电源以及 GND)。 您可以使用公式 4 来计算带状线布局的阻抗。 公式 4： 公式 4 使用典型值 W = 9 mil，H = 24 mil，T = 1.4 mil，εr 和(FR-4) = 4.