高速数字电路的EMC/EMI设计与串扰分析

高速数字电路的设计EMC/EMI是一篇深入探讨高速PCB板设计及其在FPGA开发过程中遇到的电磁兼容（EMC）与电磁干扰（EMI）问题的专业文章。本文由ATP华腾微电子（上海）的高速PCB基础理论及内存仿真技术SI仿真小组撰写，于2002年10月25日发布。 文章首先介绍了高速电路的基础概念，阐述了高速电路的定义、高速带来的挑战以及设计的关键流程。高速电路因其工作频率高，数据传输速度快，对信号完整性有着极高的要求，必须考虑信号反射、串扰和电磁干扰等问题。 接着，文章详细讲解了传输线理论，包括分布式系统和集总电路的区别，传输线的RLCG模型和电报方程，以及特性阻抗的概念和计算。特性阻抗对信号完整性至关重要，它决定了信号在传输线上的衰减和反射情况。此外，还讨论了趋肤效应、集束效应、信号反射及其影响，如过冲、下冲和可能导致的振荡，以及如何通过匹配技术如串行、并行匹配和差分线匹配来抑制反射。 文章进一步分析了串扰，包括前向和后向串扰的定义，后向串扰的反射和饱和现象，以及共模和差模电流对串扰的影响。连接器对串扰的影响也被提及，并给出了具体计算方法和避免串扰的策略。 在EMI抑制方面，文章解释了EMI/EMC的基本概念，以及电压瞬变、信号回流和共模/差模EMI的产生机制。作者介绍了常用的EMI控制方法，如屏蔽（包括电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽体及其屏蔽效率）、滤波（去耦电容和磁性元件的应用）和接地策略。此外，还着重讨论了PCB设计中的关键要素，如传输线的RLC参数对EMI的影响、叠层设计、电容和接地过孔在回流路径上的作用，以及布局和走线规则在抑制EMI方面的最佳实践。 最后，文章还涵盖了电源完整性理论基础，强调了高速数字电路中电源噪声对系统性能的潜在影响，以及如何通过有效的电源设计来确保系统的稳定性。 这篇文章提供了一个全面的框架，帮助设计者理解和解决高速数字电路设计中面临的EMC/EMI问题，确保系统的可靠性和电磁兼容性。