引 言
隨著單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設計好的、使用很穩定的單片機系統，現在可能出現莫名其妙的錯誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產品需要采用高速單片機來實現，設計人員如何快速掌握高速設計呢？
硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實現功能。硬件設計工程師可以直接通過驗證功能是否實現，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當多，這里就不敘述了。硬件可靠性設計，主要表現在電氣、熱等關鍵參數上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設計等5個部分。
1 特性阻抗
近年來，在數字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時，還應考慮電磁波和有關方波傳播的問題。這樣，原來簡單的導線，逐漸轉變成高頻與高速類的復雜傳輸線了。
在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號的銅導線可被視為由一連串等效電阻及一并聯電感所組合而成的傳導線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯電感和并聯電容的效應，會得到以下公式：
式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。
PCB的特性阻抗Z0與PCB設計中布局和走線方式密切相關。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質的介電常數和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。
在PCB的特性阻抗設計中，微帶線結構是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線結構有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dual-stripline）。下面只說明表面微帶線結構，其它幾種可參考相關資料。表面微帶線模型結構如圖2所示。
Z0的計算公式如下：
對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：
公式中：
——PCB基材的介電常數；
b——PCB傳輸導線線寬；
d1——PCB傳輸導線線厚；
d2——PCB介質層厚度；
D——差分線對線邊沿之間的線距。
從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個參數，可以得到相應的特性阻抗。
2 信號完整性（SI）
SI是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時序、持續時間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應時，就出現了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現為5個方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。
延遲是指信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發送端發出到達接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統的時序產生影響。在高速數字系統中，傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數。
當PCB板上導線（高速數字系統中稱為傳輸線）的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，信號到達接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發生畸變，甚至出現信號的過沖和下沖。如果信號在傳輸線上來回反射，就會產生振鈴和環繞振蕩。
由于PCB板上的任何兩個器件或導線之間都存在互容和互感，因此，當一個器件或一根導線上的信號發生變化時，其變化會通過互容和互感影響其它器件或導線，即串擾。串擾的強度取決于器件及導線的幾何尺寸和相互距離。
信號質量表現為幾個方面。對于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時間、下降時間等，在此就不作詳細介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。
①高電平時間（high time），指在一個正脈沖中高于Vih_min部分的時間。
②低電平時間（low time），指在一個負脈沖中低于Vil_max部分的時間，如圖3所示。
③建立時間（setup time），指一個輸入信號（input signal）在參考信號（reference signal）到達指定的轉換前必須保持穩定的最短時間。
④保持時間（hold time），是數據在參考引腳經過指定的轉換后，必須穩定的最短時間，如圖4所示。
⑤建立時間裕量（setup argin），指所設計系統的建立時間與接收端芯片所要求的最小建立時間的差值。
⑥保持時間裕量（hold argin），指所設計系統的保持時間與接收端芯片所要求的最小保持時間之間的差值。
⑦時鐘偏移（clock skew），指不同的接收設備接收到同一時鐘驅動輸出之間的時間差。
⑧Tco（time clock to output，時鐘延遲），是一個定義包括一切設備延遲的參數，即Tco=內部邏輯延遲 （internal logic delay） + 緩沖器延遲（buffer delay）。
⑨最大經歷時間（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到達高閾值電壓的時間，并保持高電平之上，減去驅動所需的緩沖延遲。
⑩最小經歷時間（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到達低閾值電壓的時間，減去驅動所需的緩沖延遲。
時鐘抖動（clock jitter），是由每個時鐘周期之間不穩定性抖動而引起的。一般由于PLL在時鐘驅動時的不穩定性引起，同時，時鐘抖動引起了有效時鐘周期的減小。
串擾（crosstalk）。鄰近的兩根信號線，當其中的一根信號線上的電流變化時（稱為aggressor，攻擊者），由于感應電流的影響，另外一根信號線上的電流也將引起變化（稱為victim，受害者）。
SI是個系統問題，必須用系統觀點來看。以下是將問題的分解。
◆ 傳輸線效應分析：阻抗、損耗、回流……
◆ 反射分析：過沖、振鈴……
◆ 時序分析：延時、抖動、SKEW……
◆ 串擾分析
◆ 噪聲分析：SSN、地彈、電源下陷……
◆ PI設計：確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式……
◆ PCB、器件的寄生參數影響分析
◆ 端接技術等
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