隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能和性能需求越來越多樣化，既有需要高速處理和傳輸?shù)膽?yīng)用，也有對速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的低速應(yīng)用。高速電路在現(xiàn)代通信、計算、存儲等領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。低速電路在許多傳統(tǒng)和基礎(chǔ)應(yīng)用中仍然占據(jù)重要地位，如家電控制、傳感器接口等。低速電路的PCB layout設(shè)計相對簡單，但同樣需要考慮穩(wěn)定性和可靠性。那么，如何區(qū)分高速電路和低速電路對工程師有指導(dǎo)意義。

1. 高速電路和低速電路的應(yīng)用場景

1.1 低速電路應(yīng)用場景

低速電路適用于對速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的應(yīng)用場景。以下是一些典型的低速電路應(yīng)用場景：

1. 家電控制：如洗衣機、冰箱、空調(diào)等家電的控制電路。

2. 傳感器接口：如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。

3. 工業(yè)控制：如PLC控制系統(tǒng)、工廠自動化設(shè)備等。

4. 汽車電子：如車燈控制、車門控制、座椅調(diào)節(jié)等。

5. 消費電子：如遙控器、電子玩具、簡單的顯示設(shè)備等。

低速電路在控制領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域應(yīng)用特別多，在短時間內(nèi)不需要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)處理，但是對穩(wěn)定性要求會比較高。比如安防領(lǐng)域的煙霧報警器，醫(yī)療器械領(lǐng)域的監(jiān)護(hù)儀。

1.2 高速電路的應(yīng)用場景

高速電路通常用于需要快速數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膽?yīng)用場景。以下是一些典型的高速電路應(yīng)用場景：

1. 通信設(shè)備：如5G基站、光纖通信、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

2. 計算機和服務(wù)器：包括CPU、GPU、內(nèi)存、硬盤接口（如NVMe SSD）等。

3. 數(shù)據(jù)中心：用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲的高性能計算設(shè)備。

4. 視頻處理：如高清視頻編碼解碼、圖像處理、視頻流傳輸?shù)取?/span>

5. 高速接口：如USB 3.0/3.1、PCIe、HDMI、DisplayPort等。

高速電路在通訊設(shè)備，音視頻處理等需要在短時間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理的場景中應(yīng)用特別多，比如手機、電腦、服務(wù)器、路由器。

1.3 高速電路設(shè)計比低速電路設(shè)計強嗎？

有些人覺得做高速電路產(chǎn)品的工程師都比低速電路產(chǎn)品的工程師要強，我個人認(rèn)為只有PCB Layout的時候高速電路要比低速電路需要注意更多的細(xì)節(jié)，但是從電路原理圖設(shè)計、程序編寫、器件選型等，真的不能說高速就比低速強。我覺得高速和低速只是產(chǎn)品應(yīng)用場景不太一樣。

如果這個時候，還覺得高速比低速強。那舉一個的例子：

假設(shè)有一個病人在醫(yī)院住院需要打點滴，大概需要從晚上20點打到凌晨3點，輸A藥200ml，B藥100ml，C藥100ml等等，以前小時候就是得注意點滴打多少了，到了一定量，就喊家人或者醫(yī)生換點滴瓶。但是對醫(yī)院的護(hù)士來說管很多病人，每天這樣換藥換點滴，要是當(dāng)時有其他急事，就可能存在有些病人點滴沒及時換。這時候有出現(xiàn)了自動輸液機，把點滴放到機器上，設(shè)定好用量，設(shè)定好時間，就能按時按量給病人打多少。醫(yī)院里相信大家見到過這種輸液機。

這個輸液機只是執(zhí)行幾個控制功能吧，so easy，難度不大。但是你想一下能不能像你的電腦手機一樣，出現(xiàn)一丁點的卡機或者死機，或者任何的不穩(wěn)定，這樣你敢用嗎。

高速電路和低速電路設(shè)計都要考慮的：芯片選型、阻容感等器件選型、電源管理、EMC和防靜電，其余方面兩者的側(cè)重點不一樣，只是兩者側(cè)重點不一樣。由ARM公司發(fā)出的A系列，R系列，M系列的芯片架構(gòu)側(cè)重點不一樣。A系列更偏重于性能，比如蘋果電腦手機里就用A13，M系列更偏重于控制和實時性，比如STM32和GD32。

2. 高速電路和低速電路的如何區(qū)分

高速電路和低速電路的區(qū)別，簡單來說就是分布式系統(tǒng)思維和集總式系統(tǒng)思維的區(qū)別，想必大家都學(xué)過電路分析、電磁場與電磁波這兩門課。電路分析的基爾霍夫定律KCL、KVL就是在集總式系統(tǒng)條件下的定理。電磁場中電場產(chǎn)生磁場，能量有轉(zhuǎn)換，不能再簡單的認(rèn)為信號能量不會衰減，輻射等等。

但是高速電路和低速電路真的只是根據(jù)頻率來區(qū)分嗎？

對于極高頻信號（1GHz以上），直接當(dāng)成高速信號處理。對于1GHz以下的，高速與低速的區(qū)分，取決于信號頻率和信號傳輸路徑的長度，我想有必要進(jìn)行一個定性定量的探討：

首先要弄清楚一個誤區(qū)：信號周期頻率高的才屬于高速設(shè)計，事實上，設(shè)計中需要考慮的最高頻率往往取決于信號的有效頻率（或者稱為轉(zhuǎn)折頻率）Fknee。

2.1 Fknee有效頻率是什么？

Fknee的定義：在傅里葉變換中可以了解到，信號都是由頻率為f的正弦波及其奇數(shù)次諧波組成。理想幅值VN=2/（3.14*N），可知各級諧波分量的幅值與其頻率（次數(shù)N）成反比。而現(xiàn)實生活中，各級諧波分量幅值要比計算出的對應(yīng)分量理想幅值VN下降的更快，當(dāng)現(xiàn)實幅值下降到對應(yīng)分量理想幅值VN的70%，定義該諧波分量的幅值為信號的有效頻率Fknee。

工程實踐中，我們通常不會這么文鄒鄒。下面是Fknee簡單的定義：關(guān)于有效頻率Fknee=0.5/Tr（10%~90%），Tr指信號從10%幅值到90%幅值的上升時間。

如何計算Fknee：在有測試板等現(xiàn)成電路時，可以直接測信號10%到90%的上升時間進(jìn)行判定；若沒有現(xiàn)成電路，則取7倍的信號周期頻率Fclock為信號的有效頻率Fknee即可。

2.2 區(qū)分高速和低速的步驟：

1.獲取信號的有效頻率Fknee以及信號傳輸路徑（信號線）的長度L；

信號傳輸路徑長度就是，該信號從哪里出發(fā)，到達(dá)終點走過了多遠(yuǎn)的路。

2.計算有效波長λknee，利用C=F*λ；C為電傳輸?shù)乃俣龋缘陀诠馑?，但可以看成光速?/span>

3.將L與1/6*λknee做比較，若L＞1/6λknee，則為高速信號，否則為低速信號。

3. 高速電路與低速電路的PCB板設(shè)計

高速電路和低速電路的PCB板在設(shè)計和制造上有許多不同之處，但也有一些共同點。以下是對高速電路和低速電路PCB板的異同進(jìn)行詳細(xì)分析：

3.1 相同點

1. 基本材料

無論是高速電路還是低速電路，PCB板的基本材料通常都是FR-4（環(huán)氧樹脂玻璃纖維布層壓板）。當(dāng)然，高速電路在某些情況下可能會使用更高性能的材料，如陶瓷基板或高頻材料（如Rogers材料）。

2. 制造工藝

兩者在制造工藝上有許多相似之處，如蝕刻、鉆孔、電鍍、絲印等基本工藝步驟。

3. 設(shè)計軟件

高速電路和低速電路的PCB設(shè)計軟件有Altium Designer、Cadence Allegro、Mentor Graphics PADS、JLC-EDA等。

這是一張高速電路PCB Layout設(shè)計的圖片，可以看出，里面的布線是很緊密的。

3.2 不同點

1. 層數(shù)

高速電路：通常需要多層PCB（4層、6層、甚至更多），以確保信號完整性和電源穩(wěn)定性。

低速電路：一般使用單層或雙層或者四層PCB，設(shè)計相對簡單。

2. 信號完整性

高速電路：需要特別關(guān)注信號完整性問題，如反射、串?dāng)_、時序誤差等。設(shè)計中會使用差分對、阻抗控制、地平面等技術(shù)。

低速電路：信號完整性問題較少，設(shè)計中不需要特別關(guān)注這些問題。

3. 電源管理

高速電路：對電源的要求較高，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)和良好的電源去耦。通常會使用多個電源層和去耦電容。

低速電路：對電源的要求相對較低，設(shè)計中電源層和去耦電容的使用較少。

4. 電磁干擾（EMI）

高速電路：更容易產(chǎn)生電磁干擾，需要采取屏蔽、濾波等措施來抑制干擾。設(shè)計中會使用屏蔽層、濾波器等。

5. 布線規(guī)則

高速電路：布線規(guī)則較為嚴(yán)格，需要考慮阻抗匹配、差分對布線、過孔數(shù)量和位置等。

低速電路：布線規(guī)則相對寬松，不需要特別考慮阻抗匹配和差分對布線。

6. 熱管理

高速電路：通常功耗較高，需要良好的熱管理。設(shè)計中會使用熱導(dǎo)通孔、散熱片等。

低速電路：功耗較低，熱管理問題較少。

7. 測試和驗證

高速電路：需要進(jìn)行復(fù)雜的測試和驗證，如信號完整性分析、時序分析、EMI測試等。

低速電路：測試和驗證相對簡單，主要關(guān)注功能測試和基本的電氣性能測試。

3.3 板層與制造工藝

對于針對低速電路的PCB設(shè)計，那么我們選用單層，雙層，復(fù)雜點的選4層PCB也差不多足夠了，這樣在實現(xiàn)功能的同時，也可以做到節(jié)省成本。

但是對于高速電路設(shè)計，存在許多高速信號線、有BGA封裝的引腳需要把線扇出，這個時候可能需要用到6層、8層、10多層的設(shè)計。這個時候可能需要考慮性能與成本綜合因素。很多高速電路板在布線難的情況下使用了很多盲埋孔、盤中孔等特殊的工藝，甚至有的在PCB上鍍金鍍銀來達(dá)到性能要求，這樣對于PCB的成本會比較高。

在這里，我有一些提高PCB電路板性能上的工藝推薦：據(jù)我了解，國內(nèi)的板廠里面，許多家都改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，以嘉立創(chuàng)來說，在6層及以上的電路板上盤中孔工藝可以免費使用，在緊密布局布線方便很多，然后在PCB表面處理工藝上，它們家使用沉金工藝，免費加厚，1U’’的價格2U’’的品質(zhì)，焊盤表面平整，在焊接性能上對于BGA這種焊盤，能有效防止虛焊漏焊。

4. 總結(jié)

本文從高速電路和低速電路的應(yīng)用場景、到如何區(qū)分高低速電路、最后再講到高速電路和低速電路在PCB板的設(shè)計上有何區(qū)別。關(guān)于高速電路設(shè)計和低速電路設(shè)計還有需要注意的，大家可以評論區(qū)提出來進(jìn)行討論。