第13章-高速电路设计

第十三章：高速电路设计

13.1 高速设计基础

13.1.1 什么是高速设计

当信号的上升时间足够短，导致传输线效应变得明显时，就需要考虑高速设计。

高速判断标准：
传输线效应显著的条件：
  走线长度 > 上升时间 × 传播速度 / 6

常见高速接口：
├── USB 2.0/3.0    : 480Mbps/5Gbps
├── HDMI           : 多Gbps
├── PCIe           : 2.5~16GT/s
├── DDR            : 数百MHz~数GHz
├── 以太网         : 100M~10Gbps
└── LVDS           : 数百Mbps

13.1.2 高速设计挑战

主要挑战：
1. 信号完整性
   - 反射
   - 串扰
   - 衰减

2. 电源完整性
   - 电源噪声
   - 地弹

3. EMI/EMC
   - 辐射发射
   - 传导发射

13.2 传输线理论

13.2.1 传输线参数

特征阻抗（Z0）：
  与走线几何和材料有关
  常见值：50Ω、75Ω、100Ω（差分）

传播延迟（Tpd）：
  信号沿走线传播的时间
  FR4上约6-7ps/mm

信号衰减：
  与频率、走线长度有关
  高频时衰减增加

13.2.2 反射与匹配

反射原因：
  阻抗不连续点产生反射

反射系数：
  Γ = (ZL - Z0) / (ZL + Z0)

终端匹配方法：
├── 串联端接
│     发送端串联电阻
├── 并联端接
│     接收端并联电阻到地/电源
├── 戴维南终端
│     上下拉电阻分压
└── AC端接
     电容串联电阻

13.3 KiCad高速设计工具

13.3.1 阻抗计算器

使用PCB计算器：
  Tools → PCB Calculator

参数输入：
- 走线宽度
- 铜厚度
- 介质厚度
- 介电常数

计算结果：
- 特征阻抗
- 传播延迟
- 推荐线宽

13.3.2 长度调整工具

等长布线工具：
1. 选择需要调整的走线
2. Route → Tune Track Length
3. 使用蛇形图案调整
4. 观察长度显示

差分对偏斜调整：
1. 选择差分对
2. Route → Tune Diff Pair Length
3. 调整单线至等长

13.3.3 长度规则

设置长度约束：
Board Setup → Design Rules → Net Classes

长度匹配规则：
(rule "DDR_data"
    (condition "A.NetClass == 'DDR_Data'")
    (constraint length (max 50mm))
)

组内匹配规则：
(rule "DDR_group_match"
    (condition "A.NetClass == 'DDR_Data'")
    (constraint length_match
        (within 5mm)
    )
)

13.4 DDR布线

13.4.1 DDR设计要点

DDR3/4布线规则：
├── 地址/命令总线
│   ├── 从驱动器端布线
│   ├── Fly-by拓扑
│   └── 长度匹配容差较大
│
├── 数据总线
│   ├── 点对点拓扑
│   ├── 严格等长
│   └── 差分DQS与DQ匹配
│
└── 时钟
    ├── 差分时钟
    ├── 阻抗100Ω差分
    └── 与DQS长度关系

13.4.2 DDR布线步骤

1. 规划布线层
2. 按字节组织数据线
3. 先布时钟和DQS
4. 布数据线等长
5. 布地址/命令线
6. 最后调整等长

13.5 差分信号设计

13.5.1 USB设计

USB 2.0设计：
- 差分阻抗：90Ω
- 走线长度匹配：<150mil
- 走线间距：2倍线宽
- 远离时钟信号

USB 3.0设计：
- 差分阻抗：90Ω
- 更严格的长度匹配
- 需要更好的接地

13.5.2 HDMI设计

HDMI设计要点：
- 差分阻抗：100Ω
- TMDS通道等长
- 每个通道内等长
- 连接器到芯片直连

13.6 EMI/EMC考虑

13.6.1 EMI抑制

布局措施：
- 完整的参考平面
- 短回流路径
- 避免平面开槽

布线措施：
- 避免平行长距离布线
- 高速信号不跨分割
- 使用保护线

13.6.2 ESD防护

ESD设计：
- 接口处添加TVS
- 短而直的接地路径
- 合适的间距

13.7 仿真验证

13.7.1 信号完整性仿真

SI仿真内容：
- 传输线分析
- 反射分析
- 串扰分析
- 眼图分析

工具选择：
- 商业工具：HyperLynx, Sigrity
- 开源工具：配合KiCad使用

13.7.2 电源完整性仿真

PI仿真内容：
- 阻抗分析
- 去耦仿真
- 电压降分析

13.8 本章小结

本章介绍了高速电路设计的要点：

  1. 基础概念：了解了高速设计的判断标准和挑战。
  2. 传输线理论：掌握了阻抗和反射的概念。
  3. KiCad工具：学会了使用长度调整和阻抗计算。
  4. DDR设计：了解了DDR布线的基本方法。
  5. 差分信号：掌握了USB、HDMI等设计要点。
  6. EMI/EMC：了解了电磁兼容设计考虑。

通过本章学习，读者可以处理基本的高速电路设计任务。

posted @ 2026-01-10 13:19  我才是银古  阅读(23)  评论(0)    收藏  举报