Altera高速电路板布板指南（中文版）

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。 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 ### Altera高速电路板布板指南关键知识点解析 #### 一、引言及背景 随着电子设备性能的不断提升，特别是器件引脚密度和系统工作频率的显著提高，印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)的设计变得越来越复杂。为了确保电路板能够高效地集成各种器件和其他模块，并且避免高速I/O标准下的信号传输问题，如反射、串扰等，必须采取一系列高级设计策略和技术。Altera器件由于具备高速I/O引脚，能够支持极快的边沿速率（低至百皮秒级别），因此，在使用这些器件进行电路板设计时，需特别注意以下几个方面： - **电源管理**：确保所有器件都进行了良好的电源滤波，并且电源分布均匀，以此来降低整个系统的噪声水平。 - **信号线匹配**：通过适当的方法来匹配信号线，减少信号反射现象的发生。 - **串扰控制**：减少并行布线之间的串扰，以维护信号的完整性。 - **地弹抑制**：减小地弹效应，避免由此带来的信号干扰。 - **阻抗匹配**：确保信号路径上的阻抗连续性，以避免信号失真。 #### 二、材料选择 材料的选择对于高速电路板的设计至关重要。不同材料的相对介电常数（εr）将直接影响到信号在介质中的传播速度和损耗程度。较低的εr意味着信号传输速度更快，而较高的损耗因数则会导致信号在长传输线上发生更多的衰减。 - **介质材料**：PCB常用的介质材料包括FR-4和GETEK。FR-4是环氧树脂玻璃叠层材料，相对介电常数εr范围为4.1至4.5；GETEK则是由环氧树脂（聚苯醚）构成，εr范围为3.6至4.2。 - **损耗因数**：表1列举了FR-4和GETEK两种材料在1MHz频率下的损耗因数。FR-4的损耗因数为0.019，而GETEK仅为0.010，显示出GETEK在高频信号传输方面的优势。 #### 三、传输线布局 传输线是PCB上的一种特殊走线结构，用于传输高速信号。根据其物理结构的不同，可分为微带和带状线两大类。 - **微带**：微带线是指信号走线位于PCB的顶层或底层，并且仅有一个参考平面（如地平面）。微带线的阻抗可以通过公式3计算得出。根据该公式，当W=8mil、H=5mil、T=1.4mil、εr=4.1时，微带线的阻抗大约为50Ω。 - **带状线**：带状线则位于PCB内部，两侧均有参考平面（如地平面）。带状线的阻抗计算方法与微带线类似，但具体公式有所不同。 #### 四、阻抗计算 阻抗计算是高速电路板设计中的一个重要环节，它直接关系到信号传输的质量。阻抗的大小取决于多个因素，包括走线宽度（W）、走线厚度（T）、介质材料的相对介电常数（εr）以及走线与参考平面之间的高度（H）。 - **微带线阻抗**：微带线阻抗计算公式为Zo=87/[(1.35+0.66*ln(H/W)) * sqrt(εr+1.41)]。通过调整W、H、T和εr的值，可以改变阻抗值。例如，图3展示了当介质高度和走线厚度固定时，阻抗随走线宽度变化的趋势。 - **带状线阻抗**：虽然文中未详细给出带状线阻抗的具体计算公式，但可以推测其原理与微带线相似，只是在计算时需要考虑两个参考平面的影响。 #### 五、其他设计技巧 除了上述提到的关键点外，还有一些其他的高速电路板设计技巧和注意事项，比如如何有效控制同时开关噪声（Simultaneous Switching Noise, SSN）、如何优化电源网络以降低噪声、以及如何利用终端匹配技术来进一步提升信号完整性等。 高速电路板的设计不仅涉及到材料选择、传输线布局、阻抗匹配等多个方面，还需要综合考虑各种信号完整性和电磁兼容性的问题。只有通过全面细致的设计和严格的测试验证，才能确保最终产品的性能和可靠性。