高速PCB设计指南之八

文章摘要：IC芯片中电源和地管脚的合理分布不仅能够降低EMI，而且可以极大地改善地弹反射(ground bounce)效果。当驱动传输线的器件试图将传输线下拉到逻辑低时，地弹反射却仍然维持该传输线在逻辑低阈值电平之上，地弹反射可能导致电路的失效或者故障。IC封装中另一个需要关注的重要问题是芯片内部的PCB设计，内部PCB通常也是IC封装中最大的组成部分，在内部PCB设计时如果能够实现电容和电感的严格控制，将极大地改善设计系统的整体EMI性能。如果这是一个两层的PCB板，至少要求PCB板的一面为连续的地平面层，PCB板的另一层是电源和信号的布线层。更理想的情况是四层的PCB板，中间的两层分别是电源和地平面

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　　IC芯片中电源和地管脚的合理分布不仅能够降低EMI，而且可以极大地改善地弹反射(ground bounce)效果。当驱动传输线的器件试图将传输线下拉到逻辑低时，地弹反射却仍然维持该传输线在逻辑低阈值电平之上，地弹反射可能导致电路的失效或者故障。
　　IC封装中另一个需要关注的重要问题是芯片内部的PCB设计，内部PCB通常也是IC封装中最大的组成部分，在内部PCB设计时如果能够实现电容和电感的严格控制，将极大地改善设计系统的整体EMI性能。如果这是一个两层的PCB板，至少要求PCB板的一面为连续的地平面层，PCB板的另一层是电源和信号的布线层。更理想的情况是四层的PCB板，中间的两层分别是电源和地平面层，外面的两层作为信号的布线层。由于IC封装内部的PCB通常都非常薄，四层板结构的设计将引出两个高电容、低电感的布线层，它特别适合于电源分配以及需要严格控制的进出该封装的输入输出信号。低阻抗的平面层可以极大地降低电源总线上的电压瞬变，从而极大地改善EMI性能。这种受控的信号线不仅有利于降低EMI，同样对于确保进出IC的信号的完整性也起到重要的作用。

3、其它相关的IC工艺技术问题
　　集成电路芯片偏置和驱动的电源电压Vcc是选择IC时要注意的重要问题。从IC电源管脚吸纳的电流主要取决于该电压值以及该IC芯片输出级驱动的传输线(PCB线和地返回路径)阻抗。5V电源电压的IC芯片驱动50Ω传输线时，吸纳的电流为100mA；3.3V电源电压的IC芯片驱动同样的50Ω传输线时，吸纳电流将减小到66mA；1.8V电源电压的IC芯片驱动同样的50Ω传输线时，吸纳电流将减小到36mA。由此可见，在公式V=Ldi/dt中，驱动电流从100mA减少到36mA可以有效地降低电压的瞬变V，因而也就降低了EMI。低压差分信号器件(LVDS)的信号电压摆幅仅有几百毫伏，可以想象这样的器件技术对EMI的改善将非常明显。
　　电源系统的去耦也是一个值得特别关注的问题。IC输出级通过IC的电源管脚吸纳的电流都是由电路板上的去耦网络提供的。降低电源总线上电压下降的一种可行的办法是缩短去耦电容到IC输出级之间的分布路径。这样将降低“Ldi/dt”表达式中的“L”项。由于IC器件的上升时间越来越快，在设计PCB板时唯一可以实施的办法是尽可能地缩短去耦电容到IC输出级之间的分布路径。一种最直接的解决方法是将所有的电源去耦都放在IC内部。最理想的情况是直接放在硅基芯片上，并紧邻被驱动的输出级。对于IC厂商来说，这不仅昂贵而且很难实现。然而如果将去耦电容直接放在IC封装内的PCB板上，并且直接连接到硅基芯片的管脚，这样的设计成本增加得最少，对EMI控制和提高信号完整性的贡献最大。目前仅有少数高端微处理器采用了这种技术，但是IC厂商们对这项技术的兴趣正与日俱增，可以预见这样的设计技术必将在未来大规模、高功耗的IC设计中普遍应用。
　　在IC封装内部设计的电容通常数值都很小(小于几百皮法)，所以系统设计工程师仍然需要在PCB板上安装数值在0.001uF到0.1uF之间的去耦电容，然而IC封装内部的小电容可以抑制输出波形中的高频成分，这些高频成分是EMI的最主要来源。
　　传输线终端匹配也是影响EMI的重要问题。通过实现网络线的终端匹配可以降低或者消除信号反射。信号反射也是影响信号完整性的一个重要因素。从减小EMI的角度来看，串行终端匹配效果最明显，因为这种方式的终端匹配将入射波(在传输线上传播的原始波形)降低到了Vcc的一半，因而减小了驱动传输线所需的瞬时吸纳电流。这种技术通过减少“Ldi/dt”中的“di”项来达到降低EMI的目的。
　　某些IC厂商将终端匹配电阻放在IC封装内部，这样除了能够降低EMI和提高信号完整性，还减少了PCB板上的电阻数目。检查IC芯片是否采用了这样的技术可以更加清楚IC的输出阻抗。当IC的输出阻抗同传输线的阻抗匹配时，就可以认为这样的传输线实现了“串联终端匹配”。值得注意的是串联终端匹配的IC采用了信号转换的反射模型。而在实际应用中如果沿传输线方向分布有多个负载，并且有非常严格的时序要求，这时串联终端匹配就可能不起作用。
　　最后，某些IC芯片输出信号的斜率也受到控制。对大多数的TTL和CMOS器件来说，当它们的输出级信号发生切换时，输出晶体管完全导通，这样就会产生很大的瞬间电流来驱动传输线。电源总线上如此大的浪涌电流势必产生非常大的电压瞬变(V=Ldi/dt)。而许多ECL、MECL和PECL器件通过在输出晶体管线性区的高低电平之间的转换来驱动输出级，通常称之为非饱和逻辑，其结果是输出波形的波峰和波谷会被削平，因而减小了高频谐波分量的幅度。这种技术通过提升表达式“Ldi/dt”中的信号上升时间“dt”项来减小EMI。

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