高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述

1、    高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述引言?隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高，而信號(hào)的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，分析原因，又找不出問(wèn)題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過(guò)驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來(lái)判定是否滿(mǎn)足需求。這方面的引 言?隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高，而信號(hào)的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定

2、的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，分析原因，又找不出問(wèn)題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過(guò)驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來(lái)判定是否滿(mǎn)足需求。這方面的資料相當(dāng)多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設(shè)計(jì)等5個(gè)部分。1 特性阻抗近年來(lái)，在數(shù)字信號(hào)速度日漸增快的情況下，在印制板的布線(xiàn)時(shí)，還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問(wèn)題。這樣，原來(lái)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線(xiàn)，逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類(lèi)的復(fù)雜傳輸線(xiàn)了。在高頻情況下，印

3、制板（PCB）上傳輸信號(hào)的銅導(dǎo)線(xiàn)可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線(xiàn)路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應(yīng)，會(huì)得到以下公式：式中Z0即特性阻抗，單位為。PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計(jì)中布局和走線(xiàn)方式密切相關(guān)。影響PCB走線(xiàn)特性阻抗的因素主要有：銅線(xiàn)的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤(pán)的厚度、地線(xiàn)的路徑、周邊的走線(xiàn)等。在PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線(xiàn)（surface microstrip）、嵌入式微帶線(xiàn)（embedded microstrip）、帶狀線(xiàn)（stripline

4、）、雙帶線(xiàn)（dual-stripline）。下面只說(shuō)明表面微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線(xiàn)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。    Z0的計(jì)算公式如下：對(duì)于差分信號(hào)，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：公式中：PCB基材的介電常數(shù)；bPCB傳輸導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)寬；d1PCB傳輸導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)厚；d2PCB介質(zhì)層厚度；D差分線(xiàn)對(duì)線(xiàn)邊沿之間的線(xiàn)距。從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過(guò)控制以上4個(gè)參數(shù)，可以得到相應(yīng)的特性阻抗。2 信號(hào)完整性（SI）SI是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電

5、路具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問(wèn)題。從廣義上講，信號(hào)完整性問(wèn)題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線(xiàn)上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度和導(dǎo)線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(xiàn)(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱(chēng)為傳輸線(xiàn))的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線(xiàn)反射回去，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號(hào)的過(guò)沖和下沖。如果信號(hào)在傳輸線(xiàn)上來(lái)回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。由于PCB板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€(xiàn)之間都存在互容和互感，因此，當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線(xiàn)上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過(guò)互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€(xiàn)，即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線(xiàn)的幾何尺寸和相互距離。信號(hào)質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對(duì)于大家熟知的頻率、周期