最近，硅谷有一定著名的公司，我們稱之為NEWCO公司，曾經(jīng)制造了他們的第一臺(tái)調(diào)整處理機(jī)的巨大原型機(jī)。他們決定使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線，以避免制作印刷電路板的費(fèi)用和時(shí)間。原型機(jī)是在16IN/20IN的電路板上通過導(dǎo)線繞接技術(shù)而構(gòu)建的。這一個(gè)原型機(jī)包含600多個(gè)門電路和2000個(gè)不同的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。下面是有關(guān)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的一些計(jì)數(shù)據(jù)：

網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目：2000
網(wǎng)絡(luò)的平均長(zhǎng)度：40IN（未端接的）
引線在接地平面上方的平均高度：0.2IN
線徑（AWG30）：0.01IN直徑
信號(hào)上升時(shí)間：2.0NS
轉(zhuǎn)折頻率：250MHZ（=0.5/2.0NS）

1、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線的信號(hào)畸變

在NEWCO的設(shè)計(jì)中，上升時(shí)間為2.0NS，其電氣長(zhǎng)度為：

區(qū)分集總系統(tǒng)和分布系統(tǒng)的臨界尺寸是：1/6=3.9IN

NEWCO認(rèn)為，因?yàn)閷?dǎo)線的平均長(zhǎng)度基本上在這一界限之內(nèi)，所以電路只會(huì)有很少的振鈴。但是他們錯(cuò)了。

NEWCO認(rèn)識(shí)到，當(dāng)電路大于1/6時(shí)，將表現(xiàn)分布狀態(tài)，他們知道，分布電路如果不端接，就會(huì)振鈴。因?yàn)樗麄兊碾娐肥羌偟模藻e(cuò)誤地認(rèn)為不會(huì)振鈴。

集總參數(shù)電路可能振鈴，也可能不振鈴，這取決于電路的Q值。電路的Q值顯示出電路中信號(hào)衰減消逝的快慢。在低Q值電路中，信號(hào)衰減得很快，而在高Q值電路中，信號(hào)卻來回振蕩，經(jīng)過幾個(gè)振鈴周期后才慢慢地消逝。Q值在技術(shù)上被定義為總存儲(chǔ)能量與每個(gè)振蕩周期所衰耗能量之比。從這個(gè)定義引出一個(gè)近似公式，將特定電路的最大過沖電壓用Q值的一個(gè)函數(shù)來表示：

其中，V過沖=超出穩(wěn)態(tài)輸出電平的輸出上升量，V
????? V階躍=預(yù)期的穩(wěn)態(tài)電平，V
????? Q=諧振參數(shù)（這里假設(shè)﹥0.5）

圖4.1中的理想二階電路以時(shí)間常數(shù)2L/R衰減，完全符合上式。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一個(gè)理想階躍的輸入響應(yīng)中，Q值為1的數(shù)字電路顯示出16%的過沖，Q值為2的數(shù)字電路則顯示出44%的過沖。任何Q值低于1/2的電路都不會(huì)過沖或振鈴。一個(gè)電路上產(chǎn)生的振鈴是電路本身的固有諧振頻率和驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間之間關(guān)系的一個(gè)函數(shù)。我們也將研究這個(gè)問題。

一旦我們知道了電路的電感，計(jì)算一個(gè)數(shù)字電路的Q值是很容易的。這提示我們關(guān)注點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線的基本問題：高電感。

當(dāng)一個(gè)高電感引線工作于大電容負(fù)載的情況下時(shí)，會(huì)形成一個(gè)高Q值的電路。

我們可以采用附錄C中列出的關(guān)于一個(gè)位于接地平面之上的圓柱體導(dǎo)線計(jì)算公式，來算出NEWCO系統(tǒng)中一個(gè)典型網(wǎng)絡(luò)的電感L：

其中：L=回路電感，H
????? D=繞接線的直徑，0.01IN
????? H=線路在接地平面上的高度，0.2IN
????? X=線的長(zhǎng)度，4IN

采用式（），可以計(jì)算出由驅(qū)動(dòng)的源端電阻、導(dǎo)線的串聯(lián)電感和接收器的負(fù)載電容組成的RLC電路的Q值：

R=30歐（一個(gè)TTL驅(qū)動(dòng)器的輸出電阻）
L=89NH（平均接線電感）
C=15PF（典型負(fù)載）

Q值為2.6意味著，對(duì)于一個(gè)理想的階躍輸入，將得到不小的振鈴。由式（），預(yù)期最壞情況的過沖電壓為：

V階躍=3.7V（TTL階躍輸出）
Q=2.6（來自上式）

只有當(dāng)NEWCO的邏輯驅(qū)動(dòng)器在振鈴頻率以上傳輸有效能量時(shí)，這個(gè)最壞情況的過沖才會(huì)發(fā)生。采用下式可以找出振鈴頻率：

頻譜寬度的衡量標(biāo)準(zhǔn)是轉(zhuǎn)折頻率，按照式（）的定義，NEWCO的邏輯門電路轉(zhuǎn)折頻率（250MHZ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于振鈴頻率（138MHZ），因而存在大量的電能，可以引起振鈴過程。轉(zhuǎn)折頻率如果正好等于138MHZ，振鈴就將減小大約一半。轉(zhuǎn)折頻率更低的邏輯門電路產(chǎn)生的振鈴還會(huì)更小。

如果完全在時(shí)域中考慮，我們可以斷定，當(dāng)上升時(shí)間等于振鈴周期的一半時(shí)，最壞情況下的振鈴被減少一半。上升時(shí)間越長(zhǎng)，引起的振鈴越小。相反，當(dāng)上升時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于振鈴周期的一半時(shí)，將引起最壞情況下的振鈴。

我們可以從Q值分析中發(fā)現(xiàn)更多的論據(jù)。我們知道，NEWCO的電路一般在138MHZ頻率振鈴，最大過沖為2.0V。根據(jù)線性電路理論可以知道，最壞的過沖總是發(fā)生在階躍邊沿后振鈴周期的二分之一處，因此，能預(yù)知最大過沖將會(huì)發(fā)生在每個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換后的3.6NS處。

2、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線的EMI

EMI代表電磁干擾。開放電流的環(huán)路，比如在導(dǎo)線繞接產(chǎn)品中，將會(huì)立刻被標(biāo)上大大的戲色EMI警示。傳輸快速變化電流的大電流環(huán)路會(huì)產(chǎn)生瞬變的磁場(chǎng)。來自這些環(huán)路的磁場(chǎng)直接輻射到FCC技術(shù)人員的檢測(cè)天線中，他們將拒絕給你的數(shù)字產(chǎn)品頒發(fā)合格證明。

傳輸線極大地減少了EMI。它通過限制信號(hào)返回電流的流動(dòng)路徑來達(dá)到這一目的。對(duì)于普通的導(dǎo)線，電流從一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線流出，然后以某種方式沿著電源返回。這兩個(gè)路徑之間的距離，或者說它們之間的總環(huán)路面積，也許是幾個(gè)平方英寸。依照FCC測(cè)試規(guī)程，由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)直接與信號(hào)電流環(huán)路的總面積成正比。

傳輸線結(jié)構(gòu)保證了信號(hào)返回電流緊貼著信號(hào)輸出路徑。產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路面積非常小，由輸出和返回電流路徑產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，極大地減少了EMI問題。

參考圖4.2，一個(gè)印刷電路板上的信號(hào)走線位于完整接地平面上方0.005IN處，其電流環(huán)路面積比位于接地平而上方0.2IN的開放導(dǎo)線小40倍。對(duì)于相同的信號(hào)上升時(shí)間，這樣一個(gè)印刷電路板的每條走線輻射的電磁能量比NEWCO原型機(jī)的每條導(dǎo)線小32DB。

3、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線中的串?dāng)_

如圖4.3所示，由于變化磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生串?dāng)_。由流經(jīng)環(huán)路A的電流產(chǎn)生的一些磁力線穿過了環(huán)路B。因此，環(huán)路A中的電流變化改變了由環(huán)路B所包圍的磁能量。環(huán)路B中磁能量的變化感應(yīng)產(chǎn)生了環(huán)路B上的噪聲電壓，稱為串?dāng)_。環(huán)路A的電流變化與環(huán)路B的電壓成比例，其比例常數(shù)稱為環(huán)路A和B之間的互感，用符號(hào)LM表示。

在調(diào)整條件下的導(dǎo)線繞接系統(tǒng)中，患擾是一個(gè)主要的問題。讓我們來計(jì)算NEWCO會(huì)有多大的串?dāng)_。假設(shè)有兩個(gè)相鄰的環(huán)路，每個(gè)4IN長(zhǎng)。0.2IN高，平行間距0.1IN。

可以用上式中的電感值作為傳輸導(dǎo)線的電感。

H=0.2（距地平面的高度）
S=0.1（兩線之間的距離）
L=89NH（一條導(dǎo)線的電感）

其中，LM=兩線之間的互感

這一數(shù)值與單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自感相當(dāng)。這就是說，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)高度地耦合，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)大量的串?dāng)_。

串?dāng)_計(jì)算的下一步是找出驅(qū)動(dòng)環(huán)路的最大DI/DT，并乘互感值得到串?dāng)_電壓值。在此，我們最好的推測(cè)是負(fù)載電容上接收信號(hào)的實(shí)際上升時(shí)間是3.6NS（這是最大過沖所需的時(shí)間）。把這個(gè)數(shù)值代入到下式：

計(jì)算得出串?dāng)_為12%（0.46V）

你感到驚訝嗎？?jī)H4IN的相鄰導(dǎo)線就產(chǎn)生了460MV的串?dāng)_。在0.1IN的半徑內(nèi)，一個(gè)好的技術(shù)人員能輕易地將10或20根導(dǎo)線綁在一起。來自每根導(dǎo)線的串?dāng)_會(huì)線性地疊加。來自10根鄰近導(dǎo)線的串?dāng)_將達(dá)到50%，足以引起嚴(yán)重的差錯(cuò)。

在構(gòu)造高速總線時(shí)，采用大捆的平行導(dǎo)線從一處連到另一處的做法是很可怕的，技術(shù)人員為了能看到清楚寫在每個(gè)芯片背面的引腳號(hào)，他們喜歡把芯片之間的導(dǎo)線歸擾到一起，這個(gè)習(xí)慣使串?dāng)_問題更加惡化。直接的對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邊線，把導(dǎo)線下壓，以盡可能地貼近接地平面，比集中或捆綁導(dǎo)線要好得多。

當(dāng)項(xiàng)目終止的時(shí)候，NEWCO放棄了它的原型機(jī)，甚至從來沒有讓它完全運(yùn)行過來，他們浪費(fèi)了好幾個(gè)星期的寶貴設(shè)計(jì)時(shí)間，而且沒能在印刷電路布局之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。