高速PCB设计注意事项

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和SERDES应用相关的高速系统PCB设计注意事项如下：

(1)微带(Microstrip)和带状线(Stripline)布线。

微带线是用电介质分隔的参考平面(GND或Vcc)的外层信号层上的布线，这样能使延迟最小；带状线则在两个参考平面(GND或Vcc)之间的内层信号层布线，这样能获得更大的容抗，更易于阻抗控制，使信号更干净，如图所示。

微带线和带状线最佳布线

(2)高速差分信号对布线。

高速差分信号对布线常用方法有边沿耦合(Edge Coupled)的微带(顶层)、边沿耦合的带状线(内嵌信号层，适合布高速SERDES差分信号对)和Broadside耦合微带等，如图所示。

高速差分信号对布线

(3)旁路电容      (BypassCapacitor)。

旁路电容是一个串联阻抗非常低的小电容，主要用于滤除高速变换信号中的高频干扰。在FPGA系统中主要应用的旁路电容有3种:高速系统(100MHz~1GHz)常用旁路电容范围有0.01nF到10nF，一般布在距离Vcc 1cm以内；中速系统(十几兆赫兹100MHz)，常用旁路电容范围为47nF到100nF钽电容，一般布在Vcc 3cm以内；低速系统(十几兆赫兹以下)，常用旁路电容范围为470nF到3300nF电容，在PCB上布局比较自由。

(4)电容最佳布线。

电容布线可遵循下列设计准则，如图所示。

电容最佳布线

• 使用大尺寸过孔(Via)连接电容引脚焊盘，以减少耦合容抗。

• 使用短而宽的线连接过孔和电容引脚的焊盘，或者直接将电容引脚的焊盘与过孔相连接。

• 使用LESR电容(Low Effective Series Resistance，低串联阻抗电容)。

• 每个GND引脚或过孔应该连接到地平面。

(5)高速系统时钟布线要点。

• 避免使用锯齿绕线，时钟布线要尽可能笔直。

• 尽量在单一信号层布线。

• 尽可能不使用过孔，因为过孔将带来强烈的反射和阻抗不匹配。

• 尽量在顶层用微带布线，从而避免使用过孔且使信号时延最小。

• 将地平面尽量布在时钟信号层旁，用以减少噪音和串扰。如果使用内部信号层布时钟线，可以使用两个地平面将时钟信号层夹在中间，以减少噪声和干扰。缩短信号时延。

• 时钟信号应该正确阻抗匹配。

(6)高速系统耦合与布线注意事项。

• 注意差分信号的阻抗匹配。

• 注意差分信号线的宽度，使之可以容忍20%的信号上升或下降时间。

• 使用合适的连接器，连接器的额定频率应该能满足设计的最高频率。

• 差分信号对尽量使用edge-couple方式耦合，避免使用broadside-couple方式耦合，使用3S分式法则，避免过耦合或串扰。

(7)高速系统噪声滤波注意事项。

• 减少电源噪声带来的低频干扰(1KHz以下)，在每个电源接入端加屏蔽或者滤波电路。

• 在每处电源进入PCB的地方加100F的电解电容滤波。

• 为了减少高频噪音，在每处Vcc和GND处尽可能多地布置去耦合电容。

• 将Vcc和GND平面平行布置，并用电介质(如FR-4PCB)分隔，在其他层布置旁路电容。

(8)高速系统地弹(Ground Bounce)

• 尽量在每处Vcc/GND信号对上添加去耦合电容。

• 在计数器等高速翻转信号的输出端加外部Buffer,以减少驱动能力的要求。

• 将为使用的用户I/O设置成输出为低电平的输出信号，这相当于虚拟的GND，将这些低电平输出连接到地平面。

• 对于速度要求不苛刻的输出信号设置为Slow Slew (低上升斜率)的模式。

• 控制负载容抗。

• 减少时钟不停翻转的信号，或者将这种信号尽量均匀地分布在芯片的四周。

• 将翻转频繁的信号尽量靠近芯片的GND引脚布置。

• 设计同步时序电路时应该尽量避免输出瞬时全部翻转。

• 将电源和地引岔开布置，这样可以起到在整体上中和电感的作用。

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作者：杭州卿萃科技ALIFPGA

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