数字电路设计（数字电路设计200例）

　　数字电路设计（数字电路设计200例）
　　答：可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路滤掉的电容，称做＂旁路电容＂。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除。
　　去耦电容是电路中装设在元件的电源端的电容，此电容可以提供较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声，间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。
　　去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电池，避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大，对更高频率的噪声，基本无效。旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频率阻抗特性。电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率，会发生谐振，此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还要考虑电容的介质，一个比较保险的方法就是多并几个电容，其关系示意如图1-47所示。
　　表1-47 旁路电容与去耦电容示意图
　　1.72 什么叫做串扰？
　　答：串扰,就是指一条线上的能量耦合到其他传输线,它是由不同结构引起的电磁场在同一区域里的相互作用而产生的。串扰在数字电路中非常普遍地存在着，如芯片内部、PCB板、接插件、芯片封装，以及通信电缆等等。
　　串扰可能是数据进行高速传输中最重要的一个影响因素了。它是一个信号对另外一个信号耦合所产生的一种不受欢迎的能量值。根据麦克斯韦定律，只要有电流的存在，就会有磁场存在，磁场之间的干扰就是串扰的来源。这个感应信号可能会导致数据传输的丢失和传输错误。 所以串扰对于综合布线来说，无疑是个最厉害的天敌。
　　1.73 引起串扰的因素有哪些？
　　答：互感是引起串扰的两个重要因素之一,互感系数标志了一根驱动传输线通过磁场对另外一根传输线产生感应电流的程度。从本质上来说,如果＂受害（Victim）线＂和驱动线(侵略线)的距离足够接近，以至于侵略线产生的磁场将受害线包围其中,则在受侵略的传输线上将会产生感应电流,而这个通过磁场耦合产生的电流在电路模型中就通过互感参数来表征。在互感的作用下，将根据驱动线上的电流变化率而在受害线上引起一定的噪声，噪声电压的大小与电流变换率成正比。
　　互容是引起串扰的另外一个重要因素,互容是两导体间简单的电场耦合,这种耦合在电路模型中以互容的形式表现出来。互容将产生一个与侵略线上电压变换率成正比的噪声电流到受害线。
　　1.74 降低串扰的方法有哪些？
　　答：降低串扰的方法有如下几种：
　　增加信号路径之间的间距、用平面作为返回路径、使耦合长度尽量短、在带状线层布线、减小信号路径的特性阻抗、使用介电常数较低的叠层、在封装和接插件中不要共用返回引脚、使用两端和整条线上有短路过孔的防护布线，更多关于PCB中降低串扰的处理方法，可以到本书学习论坛＂PCB联盟网＂免费下载学习。
　　1.75 什么是过孔，过孔包含哪些元素？
　　答：过孔，也叫金属化孔。在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔。
　　过孔的实质呢，其实就是一个通孔的焊盘，有外径和内径，我们可以从图1-48所示的过孔的padstack剖析图来看下，通孔的焊盘在Allegro软件中所包含的元素。
　　图1-48 通孔焊盘剖析图
　　Regular Pad：规则焊盘，在正片中看到的焊盘，也是基本的焊盘。
　　Thermal Relief：热风焊盘，也叫花焊盘，在负片中有效，设计用于在负片中焊盘与敷铜的接连方式，防止焊接时散热太快，影响工艺。
　　Anti Pad：隔离焊盘，焊盘与敷铜的间距，负片工艺中有效。
　　Soldermask：阻焊层，定义阻焊的大小，规定绿油开窗大小，以便进行焊盘。
　　Pastemask：钢网层，定义钢网开窗大小，贴片的时候会按照钢网的位置和大小，进行锡膏涂敷。
　　1.76 什么是盲埋孔?
　　答：盲埋孔，是盲孔与埋孔的统称。盲孔（Blind vias ），盲孔是将PCB内层走线与PCB表层走线相连的过孔类型，此孔不穿透整个板子。埋孔（Buried vias），埋孔则只连接内层之间的走线的过孔类型，所以是从PCB表面是看不出来的。
　　盲孔一般是激光钻孔，从表层钻到PCB的内层，并不穿透整个PCB板，激光钻孔的大小是0.1mm，厚度是60-70um左右，具体要看PCB厂家的工艺能力。所以我们在PCB设计软件中，设置的盲孔大小一般是4mil的钻孔，10mil的焊盘。
　　埋孔，跟普通的钻孔所使用的钻刀是一致的。埋孔只连接内层之间的走线，连接表层通过盲孔，盲孔加上埋孔要将整个的PCB板进行贯通，比如一个6层一阶板的设计，它的盲孔是1-2、5-6；它的埋孔就是2-5。我们在PCB设计中随使用的埋孔的大小要跟通孔的大小一样大，一般设置为8mil的钻孔，16mil的焊盘，关于盲埋孔的设计有疑问的读者，可以联系作者(QQ: 1763146079 邮件：huangy@fany-eda.com)获取技术支持。
　　1.77 HDI板卡的阶数是怎么定义的？
　　答：基于有盲埋孔的板子，我们要根据整个板子的压合次数还有激光钻孔的次数来确定HDI板卡的阶数。这里我们以6层板为例来具体讲解下，其它的可以按这个规律来依次类推：
　　Ø 6层一阶HDI板指，盲孔:1-2,2-5,5-6。即1-2,5-6需激光打孔；
　　Ø 6层二阶HDI板指，盲孔:1-2,2-3,3-4,4-5,5-6。即需2次激光打孔.首先钻3-4的埋孔,接着压合2-5,然后第一次钻2-3，4-5的激光孔,接着第2次压合1-6，然后第二次钻1-2，5-6的激光孔.最后才钻通孔.由此可见二阶HDI板经过了两次压合，两次激光钻孔；
　　Ø 另外二阶HDI板还分为:错孔二阶HDI板和叠孔二阶HDI板，错孔二阶HDI板是指盲孔1-2和2-3是错开的，而叠孔二阶HDI板是指盲孔1-2和2-3叠在一起，比如:盲:1-3,3-4,4-6。
　　1.78 过孔的两个寄生参数是什么，有什么影响，应该怎么消除？
　　答：过孔的两个寄生参数是寄生电容和寄生电感。
　　过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似可以用以下公式来计算：C=1.41εTD1/(D2-D1)。
　　过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。比如说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，所产生的影响还是比较大的。
　　过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。
　　我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
　　为了消除过孔寄生电容与寄生电感所带来的影响，我们可以采取如下措施。
　　Ø 选择合理尺寸的过孔大小，比如对6-10层的PCB设计来说，选用10/20Mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔；
　　Ø 使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数；
　　Ø PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔；
　　Ø 电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会 导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗；
　　Ø 在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。
　　1.79 什么是孤岛铜皮，有什么影响？
　　答：孤岛铜皮, Isolated Shapes,也叫做孤岛，指的是在PCB中孤立、没有与任何地方连接的铜箔。在Allegro软件中，系统会自动统计孤岛铜皮的个数，如图1-49所示，对于PCB板上的孤岛铜皮，一般我们在设计的时候，对于很大块的孤岛铜皮，我们尽量在这个铜皮打上地过孔。让铜皮接地，使整个PCB地连接性更好；而对于面积很小的孤岛铜皮，我们选择删除，点击shape-Delete Island,就可以把整个孤岛铜皮给删除掉，如如1-50所示。
　　孤岛铜皮的存在，主要是会与周围的信号形成天线效应，引发PCB的EMI的问题，对高速信号线造成干扰，所以我们建议PCB上的孤岛铜皮还是删除比较好。
　　图1-49 孤岛铜报告示意图
　　图1-50 删除孤岛铜示意图
　　1.80 什么是平衡铜，他的作用是什么？
　　答：平衡铜，是在PCB上铺的一些没有网络的网格铜皮，并没有实质的电气连接。在PCB板上铺平衡铜的作用主要就是为了起平衡作用，防止PCB板发生翘曲。因为PCB板的叠层结构出现不对称的时候，会出现这样一种情况，其中某一层的铜会非常多，而相对应的层的铜很少，出现这种情况的时候。就会在铜箔相对于来说少的哪一层，来铺上一些没有网络的铜箔，来增加铜箔的含量，这样的铜箔我们就叫平衡铜，主要目的就是起平衡作用，达到让叠层对称，对称的层铜箔的含量的尽量一致。