以下文章來源于Altium ，作者Altium

如今，可以認為大多數PCB存在某種類型的信號完整性問題的風險，這種問題通常與高速數字設計相關。高速PCB設計和布局專注于創建不易受信號完整性、電源完整性和EMI/EMC問題影響的電路板設計。雖然沒有任何設計能夠完全避免這些問題，但通過遵循這些高速電路板設計指南，可以將其減少到不明顯的程度，并且不會在最終產品中造成性能問題。

創建原理圖并準備過渡到PCB布局后，您需要利用PCB設計工具中的特定功能來正確布局和布線。在您的PCB設計軟件中，您將有機會在疊層中準備電源和接地平面布置、計算走線的阻抗曲線并查看疊層的PCB材料選項。高速設計的大多數方面都圍繞PCB疊層設計和布線以確保信號和電源完整性，而一個合適的ECAD軟件可以幫助您在這些領域取得成功。

高速數字設計基礎知識

那么，什么是高速電路板設計？高速設計特指使用高速數字信號在元件之間傳遞數據的系統。高速數字設計與采用較慢數字協議的簡單電路板之間的分界線是模糊的。用于將特定系統表示為“高速”的一般指標是系統中使用的數字信號的邊沿速率（或上升時間）。大多數數字設計同時使用高速（快邊沿速率）和低速（慢邊沿速率）數字協議。在當今的嵌入式計算和物聯網時代，大多數高速電路板都有一個用于無線通信和網絡的RF前端。

盡管所有設計都從原理圖開始，但高速PCB設計的主要部分集中在互連設計、PCB堆疊設計和布線上。如果您在前兩個方面均取得成功，那么在第三個方面也很可能會成功。請閱讀以下部分，了解如何著手高速設計，以及PCB設計軟件的重要作用。

規劃您的高速PCB疊層和阻抗

您為高速電路板創建的PCB疊層將決定阻抗以及布線的難易程度。所有PCB疊層都包括一組專用于高速信號、電源和接地平面的層，在疊層中分配層時需要考慮以下幾點：

電路板尺寸和網數：電路板有多大，您需要在PCB布局中布線多少網。物理意義上較大的電路板可能有足夠的空間允許您在整個PCB布局中布線，而無需使用多個信號層。

布線密度：在網數較高且電路板尺寸受限于較小區域的情況下，表層周圍可能沒有太多布線空間。因此，當走線靠得更近時，您將需要更多的內部信號層。采用較小的電路板尺寸可能會強制提高布線密度。

接口數量：有時每層僅布線一個或兩個接口是很好的策略，具體取決于總線寬度（串聯與并聯）和電路板尺寸。將所有信號保持在同一層的高速數字接口中可確保所有信號看到一致的阻抗和偏斜。

低速和RF信號：您的數字設計中是否會有任何低速數字或RF信號？如果是這樣，這些可能會占用表面層上可用于高速總線或元件的空間，并且可能需要額外的內部層。

電源完整性：電源完整性的基石之一是使用大型電源平面和接地層來滿足大型集成電路所需的每個電壓等級。這些應該放在相鄰的層上，以幫助確保有高平面電容來支持去耦電容器的穩定電源。

PCB材料選項、層數和厚度

在設計PCB疊層之前，請考慮設計中容納所有數字信號所需的層數。有幾種方法可以確定這一點，但是這些方法依賴于一點數學知識以及在高速電路板設計方面的過往經驗。除了上面列出的考慮層數的要點外，具有BGA/LGA封裝的大型高速IC也可以決定所需的電路板尺寸。在進行BGA扇出時，每個信號層通常可以容納2行，并且在構建疊層時確保在層數中包括電源層和接地平面層數。

附帶大型多邊形的FPGA上的BGA扇出用于在高速設計中供電

只要元件之間的線路不過長，FR4級材料通常可用于高速數字設計。如果布線確實變得過長，高速通道就會有過多損失，并且通道接收端的元件可能無法恢復信號。選擇材料時要考慮的主要材料特性是PCB層壓板的損耗角正切。通道幾何形狀也將決定損耗，但通常選擇損耗角正切較低的FR4層壓板是在較小型電路板中開始的好地方。

如果您的布線過長，則可能需要更專業的材料作為高速信號的基板。基于PTFE的層壓板、偏光玻璃層壓板或其他特殊材料系統是支持更大的高速數字電路板的不錯選擇，這些電路板的布線非常長且需要低插入損耗。370HR是一套適用于小型高速PCB的入門級高TG層壓材料。對于較大的電路板，Megtron或Duroid層壓板等材料也是不錯的選擇。在繼續之前，請咨詢您的制造商，確保您的材料選擇和建議的堆疊是可制造的。

阻抗控制

只有在您創建擬議的疊層并與你的制造廠完成驗證后，才能確定阻抗。制造商可以提議對PCB堆疊進行修改，例如替代的PCB材料選項或層厚度。在疊層上獲得間隙并最終確定層厚度后，您就可以開始計算阻抗值。

阻抗通常使用公式或附帶場求解器工具的計算器進行計算。設計中所需的阻抗將決定傳輸線的尺寸，以及與附近電源層或接地層的距離。傳輸線的寬度可以通過以下一些工具來確定：

IPC-2141和Waddell公式：這些公式為阻抗估計提供了一個起點，并且它們在較低頻率下產生準確的結果。

2D/3D場求解器實用程序：場求解器用于在您為高速板定義的傳輸線幾何結構內求解麥克斯韋方程。

使用附帶場求解器的層堆疊管理器將為您提供最準確的結果，同時考慮到銅的粗糙度、蝕刻、不對稱線路排列和差分對。計算出走線的阻抗曲線后，您需要在布線工具中將其設置為設計規則，以確保走線具備所需的阻抗。

高速電路板中傳輸線設計的阻抗計算。Altium Designer中的“層堆棧管理器”包含一個阻抗計算器，用于計算銅的粗糙度。

大多數高速信號協議，如PCIe或以太網，都使用差分對布線，所以您需要通過計算走線寬度和間距來設計成特定的差分阻抗。場求解器工具是計算任何幾何形狀（微帶線、帶狀線或共面）的微分阻抗的最佳工具。場求解器工具的另一個重要結果是傳播延遲，它將在高速布線過程中被用來執行長度調整。

對高速PCB進行布局規劃

對于高速PCB布局中元件的布置位置，沒有具體的規則或標準。一般來說，將最大的中央處理器IC放置在靠近電路板中心的位置是個好主意，因為它通常需要以某種方式與電路板上的所有其他元件連接。可將直接與中央處理器連接的較小IC放置在中央IC周圍，以便元件之間的布線可以保持短而直接。然后，可在電路板周圍放置外圍設備，以提供所需的功能。

當主控制器IC放置在電路板的中心附近，而其他高速外圍設備放置在其周圍時，高速布局效果最佳。這是主板在電路板中央放置大型處理器的原因之一。Altium Designer中的MiniPC項目將其PCIe、DDR4、USB 3.0和以太網外圍設備放置在中央FPGA SoC周圍，因此布線更加容易。

放置元件后，您可以使用PCB設計工具來幫助您開始設計布線。這是高速數字電路設計的敏感部分，因為不正確的布線會破壞信號完整性。如果正確完成前面的步驟，則更容易實現信號完整性。您應該在PCB設計規則中設置阻抗曲線，以便設計中的任何布線均以正確的寬度、間隙和間距放置，在布線過程中保持受控阻抗。

布線、信號完整性和電源完整性

信號完整性始于設計電路板的特定阻抗值并在布局和布線期間保持該阻抗值。確保信號完整性的其他一些策略包括：

旨在縮短元件之間的路徑以確保高速信號

盡量減少通過過孔的布線，理想情況下僅使用兩個過孔進出內層

通過背鉆消除超高速線路（例如 10G+ 以太網）上的短截線

注意是否需要任何終端電阻以防止信號反射；查看數據表以檢查是否存在片上終端

請咨詢您的制造商，了解哪些材料和工藝可以幫助避免纖維編織效應

使用粗略的串擾計算或模擬來確定電路板布局中網絡之間的適當間距

保留需要長度匹配的總線和網絡列表，以便可以應用調整結構來消除偏移

這些要點可以設置為布線工具的設計規則，這將有助于確保您遵守高速設計的最佳實踐。

高速PCB布線

您在高速設計項目中設置的設計規則將確保您在設計布線時滿足阻抗、間距和長度目標。此外，可以在您的布線中強制執行差分對布線中的重要規則，特別是最小化長度不匹配，以防止走線之間的偏移和強制間距，以確保滿足差分阻抗目標。最好的布線工具將允許您將走線幾何限制編輯為設計規則，從而確保性能。

長度調整用于跨并行總線和差分對中的走線之間，以確保時延匹配并消除接收器上所見信號之間的偏差。

高速PCB布線中最重要的一點是在走線附近放置接地平面。疊層應構建為在與阻抗控制信號相鄰的層中具有接地平面，以便保持一致的阻抗并在PCB布局中定義清晰的返回路徑。不應在接地層中的間隙或裂縫上放置走線，以避免產生EMI問題的阻抗不連續性。接地平面布置并不局限于確保信號完整性，它在電源完整性和確保穩定的電力輸送方面也發揮著作用。

電源完整性

電源完整性是一個廣泛的話題，與高速PCB設計高度相關。確保向高速元件提供穩定的功率在PCB設計中至關重要，因為電源完整性問題可能偽裝成信號完整性問題。電源完整性側重于向元件提供低噪聲電力。PCB疊層和PDN的布局是決定數字設計中電源完整性水平的主要因素。如果成功完成，功率將輸送到具有低噪聲和電源軌上非常微弱的瞬態振蕩的快速數字元件。設計具有良好電源完整性的高速PCB可確保低排放、低噪聲功率輸送，并消除高速互連中出現的一些SI問題。

適用于高速設計和布局的高級工具

一個優秀的高速PCB設計軟件會將所有這些功能整合到一個應用中，而不是強迫您使用單獨的工作流程來克服不同的設計挑戰。高速PCB布局設計人員必須在前端執行大量工作以確保信號完整性、電源完整性和電磁兼容性，但是正確的高速布局工具可以幫助您將結果作為設計規則實施，以確保設計按預期執行。

更高級的PCB設計軟件將與仿真應用對接，以幫助您執行符合行業標準的分析。一些仿真程序專門用于評估新設計中的信號完整性和電源完整性，以及檢查PCB布局中的EMI。仿真在高速設計中非常有用，因為它們可以幫助用戶在設計進入制造之前查明具體的SI/PI/EMI問題。一些示例包括返回路徑跟蹤、在走線中定位阻抗不連續性，以及為防止EMI而采用去耦電容器的理想布局。

使用高速設計軟件完成您的物理布局

當您需要構建先進的高速數字系統，同時確保維持信號完整性和電源完整性時，請使用基于規則驅動設計引擎的最佳高速設計和布局工具集。無論您需要布局密集的單板計算機還是復雜的混合信號PCB，優秀的PCB布局工具將幫助您在創建高速PCB布局時保持靈活性。