引言：從本文開始，我們陸續介紹下有關7系列fpga通用pcb設計指導，重點介紹在pcb和介面級別做出設計決策的策略。由於fpga本身也屬於數字積體電路，文章中的大部分設計策略及概念也可為其他數字ic電路設計提供參考。文章內容主要包括以下五個章節內容：
本文我們介紹第一部分部分內容，即pcb技術基礎。
印刷電路板（pcb）是電氣系統，其電氣特性與安裝在其上的分立元件和器件一樣複雜。pcb設計者需要對pcb的許多方面都有完全的控制權；然而，當前的技術對其幾何結構和由此產生的電效能施加了限制和限制，本小結介紹以下內容：
pcb技術在過去幾十年中沒有發生顯著變化。兩面鍍銅的絕緣體基材（通常是fr4，環氧樹脂/玻璃複合材料）的一部分銅被腐蝕掉，形成導電路徑。電鍍和蝕刻基板的層與蝕刻基板之間的額外絕緣體基板粘合在一起。在層疊上鑽孔，將導電鍍層應用於這些過孔，在不同層的蝕刻銅之間選擇性拓撲成導電連線。
圖1、pcb構成
雖然pcb技術有了進步，但pcb的基本結構沒有改變，例如材料特性、使用的層疊層數、幾何結構和鑽孔技術（允許孔只穿透堆疊的一部分）。通過pcb技術形成的結構被抽象為一組物理/電氣結構：走線、平面（或電源層）、通孔和焊盤。
走線是一種物理金屬條（通常是銅），在pcb的x-y座標上的兩個或多個點之間進行電氣連線。走線承載了兩點之間訊號的傳輸。
平面是覆蓋整個pcb層的不間斷金屬區域。小平面，乙個平面的變體，是乙個不間斷的金屬區域，只覆蓋pcb層的一部分。通常，乙個pcb層中存在多個小平面。平面和小平面將能量分配給pcb上的許多點。它們在走線傳輸訊號時非常重要，因為它們是訊號回流傳輸介質。圖1顯示了完整平面（gnd）和小平面（區域性鋪銅）。
圖2、planes舉例
過孔是一塊金屬，在pcb的z軸空間中的兩個或多個點之間進行電氣連線。過孔在pcb層之間傳輸訊號或電源。在當前的平板穿透孔（pth）技術中，通孔是通過在pcb上鑽孔的內表面電鍍而成的。在目前的微孔技術（microvias，也稱為高密度互連或hdi）中，通孔是用雷射燒蝕基底材料並使導電鍍層變形而形成的。這些微孔不能穿透超過一層或兩層，但是，它們可以堆疊或階梯式形成貫穿整個板厚的通孔。
圖2、microvias或盲孔技術
因為pth過孔在過孔的整個長度上都是導電的，所以需要一種方法來選擇性地對pcb的各個層的跡線、平面和小平面進行電連線。這是焊盤和反焊盤的作用。
焊盤是規定形狀的小面積銅。反焊盤是規定形狀的小區域，在那裡銅被去除。焊盤既可與通孔一起使用，也可用作安裝表面貼裝元件的裸露外層銅。反焊盤主要與過孔一起使用。
圖3、焊盤結構
對於走線，焊盤用於在通孔和給定層上的走線或平面形狀之間進行電氣連線。要使通孔與pcb層上的走線形成牢固連線，必須有乙個焊盤以保證機械穩定性。焊盤的尺寸必須符合鑽孔公差/定位限制。
反焊盤在平面（planes）層使用。因在為平面和小平面銅是不間斷的，所以任何穿過銅的通孔都會與銅形成電氣連線。在那裡過孔並不是用來與通過的平面或小平面進行電氣連線的，反焊盤會去除過孔穿透的層區域中的銅。
為了焊接表面貼裝元件，外層上的焊盤通常稱為焊環（圖3中錫膏層）。與這些焊盤進行電氣連線通常需要通孔。由於pth技術的製造限制，很少採用可以在lands區域內放置通孔。取而代之的是，使用一小段連線到表面焊盤的走線。連線走線的最小長度由pcb製造商的最小尺寸規格確定。微孔技術不受限制，過孔可以直接放置在焊盤。為了有關pcb焊盤和bga封裝的更多資訊，請參閱7系列fpga封裝和引腳產品規範使用者指南（ug475）附錄「bga封裝的推薦pcb設計規則」。
定義pcb尺寸的主要因素是pcb製造限制、fpga封裝幾何形狀和系統符合性。其他因素，如面向製造的設計（dfm）和可靠性施加了進一步的限制，但由於這些是特定於應用程式的，因此本使用者指南中沒有記錄這些因素。
fpga封裝的尺寸與pcb製造限制相結合，直接和間接地定義了本節中描述的pcb結構（pcb結構）的大部分幾何方面。這大大限制了pcb設計者。封裝球間距（ff封裝為1.0 mm）定義了焊盤布局。當前pcb技術的最小表面特徵尺寸定義了器件下區域的通孔排列。最小通孔直徑和這些通孔周圍的隔離區域由pcb製造商定義，這些直徑限制了通孔之間的可用空間量與最大走線寬度。pcb製造限制限制了最小走線寬度和最小間距。
圖4、12層pcb層疊設計案例
容納fpga所需的pcb層的總數由訊號層的數量和平面層的數量定義，大多數用於大型fpga的pcb從12層到22層不等。
系統總體要求通常定義了電路板的總厚度，因此，隨著電路板層數的增加，訊號層與平面層（參考層）、以及訊號層與訊號之間的層間距會變得越來越小，這會引入訊號層間的串擾以及影響訊號阻抗以及電源系統寄生電感等。
訊號走線到參考平面層的z方向間距（由電路板總厚度和電路板層數定義）是走線中的乙個決定性因素，走線寬度（由fpga封裝球間距和pcb通過製造限制定義）是控制阻抗的另乙個因素。設計者通常很少控制fpga下的過孔陣列區域的走線阻抗。當走線穿出bga陣列時，其寬度可以改變為目標阻抗的寬度（通常為50ω單端）。
去耦電容器布局和分立終端電阻布局是其他領域的權衡優化。dfm約束通常在fpga（器件封裝）周圍定義乙個隔離區域，在該區域中不能放置分立的元件。禁區的目的是為裝配和返工留出空間必要的。為了因此，在「禁止入內」區域之外的區域是乙個元件放置位置的區域。由pcb設計師決定高優先順序元件。去偶電容器布置約束在第2部分「配電系統」中進行了描述。
訊號走線和參考平面的組合形成傳輸線。pcb系統中的所有i/o訊號都通過傳輸線傳輸。
對於單端i/o介面，訊號走線和參考平面都是將訊號從pcb上的乙個位置傳輸到另乙個位置所必需的。對於差分i/o介面，傳輸線由兩根走線和乙個參考面組成。雖然在差分訊號的情況下，參考面的存在並不是嚴格必要的，但對於pcb中差分走線的實際實現卻是必要的。
在pcb系統中，良好的訊號完整性依賴於具有阻抗受控的傳輸線。阻抗由走線的幾何形狀和訊號走線周圍以及訊號走線與參考面之間的填充材料的介電常數決定。
傳輸線及其訊號完整性的乙個經常被忽視的方面是回流。假設一條訊號線本身形成一條傳輸線是不正確的。在訊號走線中流動的電流在其下方的參考平面中具有相等和相反的互補電流。走線電壓和走線電流與參考面電壓和參考面電流的關係定義了由走線和參考面形成的傳輸線的特性阻抗。雖然走線下參考平面連續性的中斷效果不如切斷訊號走線那麼顯著，但傳輸線和共享參考平面的任何裝置的效能都會受到影響。
圖5、訊號回流路徑
重要的是要注意參考平面的連續性和回流路徑。打斷參考平面的連續性，如孔、槽或隔離縫隙，在訊號傳輸中引起顯著的阻抗不連續性。它們也可能是串擾的重要**，並導致配電系統（pds）雜訊。回流路徑的重要性不可小覷。
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