原理图告诉我们电路中使用了哪些元件以及它们是如何连接的。它没有告诉我们信号完整性、电源完整性或EMI。这些重要的属性存在于连接每个组件的理想导线和原理图的空白区域中。所有关于高速性能的重要设计信息都被隐藏起来，只能在工程师的脑海中看到。这是工程师在开始设计电路和电路板时可以学到的最重要的一课。
在科罗拉多大学博尔德分校教授的混合本科/研究生课程“实用印刷电路板设计与制造”中，学生在他们的第一个电路板设计项目中学习这一重要课程。
一个简单的电路板项目
电路设计非常简单。5v电源插头为单板供电。它驱动一个555定时器，专为10 kHz方形晶圆设计，占空比为90%。一个简单的LDO将5v转换为3.3 V的导轨，为十六进制逆变器芯片供电。其中一个逆变器的输入被绑得很高，所以它总是产生低电平。其他四个驱动器的输入连接到555定时器的输出，因此它们与方波切换，但将90%的占空比反转为10%的占空比。简单的原理图如图1所示。
其中一个开关信号到达一个测试点，在那里信号可以被测量。这是用来触发示波器，所以我们有一个开关边缘的参考。当量程设置为50欧姆输入时，电流绘制为3.3 V/50欧姆= 66 mA。当使用10x探头时，逆变器输出上的负载阻抗远高于50欧姆，每个边缘上的开关都小于10 mA。
其他三个开关信号驱动50欧姆电阻与红色led串联。通过每个LED的电流估计约为(3.3 V - 1.8 V)/50欧姆= 30 mA。这意味着当十六进制逆变器芯片开关时，每个边缘上的电流高达100 mA，当瞄准镜输入中使用50欧姆时，电流可高达150 mA。
将示意图转换为布局
在第一堂课练习中，该原理图以两种形式转换为2层电路板布局。在上课的第一天，学生们会拿到一块板，上面的零件被放置在特定的位置。他们的第一个任务是只考虑连接性来路由跟踪。这使用了原理图中的所有信息，可以任意实现。由于很少有学生在这门课上有最佳设计实践的经验，大多数电路板都有信号、电源和接地痕迹，在两层之间来回布线。
他们的电路板被送到工厂，学生们组装并测试这些电路板。与此同时，该板的另一个版本，“黄金板”，被制造出来，使用一个接地平面，所有信号和电源走线路由在顶层。
图2显示了这两种不同电路板的示例。
应该指出的是，每个电路板都来自完全相同的原理图。不同之处在于，黄金板的布局是基于最佳设计实践，而学生板则不是。它们都有一个10 kHz，占空比90%的方波，在每个边缘上都有一个十六进制逆变器开关约100 mA。这两种电路板的噪音水平完全不同。
用安静的低线测量地面反弹
我们使用十六进制逆变器输出固定低作为传感线传输电压在模具的接地轨道上，与板水平地相比，通过信号路径到板边缘的探测点。我们称这种别针为“安静低”别针。这是测量模具地轨上的地面弹跳的一种非常常见的技术。
该电压是对所有其他I/O驱动器看到的模具地轨噪声的直接测量。这两种电路板的区别是由于信号和返回路径的布局而产生的地面反弹噪声。
在学生板版本中，信号路径(在I/O引脚到测试点和他们从十六进制逆变器的接地引脚和板边缘的接地连接的返回路径之间)做了非常大的循环。由于这些回路重叠，它们之间有一个巨大的互感。当电流通过其中一个回路时，例如当I/O开关时，dI/dt在安静信号-返回路径回路中产生一个大电压。
这是地面反弹最常见的原因。同时切换的I/ o越多，它们的每个dI/dt在安静回路中产生感应电压噪声，地反弹噪声越大。
比较实测地面弹跳
我们使用一个十六进制开关逆变器发出的信号作为触发器。图3是用瞄准镜测量的触发信号和学生板上的静线的示例。
这不是打印错误或印刷错误。当四个I/ o开关同时切换时，在安静线上测量的接地反弹电压确实大于3v。如果你不注意布局，地面反弹会变得非常大。
为了减少这个问题，使用靠近信号线的回程飞机。这迫使返回电流直接在信号线下流动，形成非常小的信号返回回路，它们之间没有重叠。
在黄金板中，我们使用一个坚实的地面(返回)平面，并将所有信号线布线在顶层。信号-返回循环的重叠很少。图4所示为金色板上安静线上的噪声与学生板上地面反弹的比较。
即使在电路板上没有重叠的信号-返回路径循环，在封装中仍然有一个长而共同的基础。这个引线的电感会产生一些残留的地面反弹，这就是我们在这个范围测量中看到的。不优化布局时，噪声小于1/3。
最佳设计实践
这些电路板是根据完全相同的原理图设计的。他们只是在布局上有所不同。原理图上没有任何关于噪声可能来自哪里的信息。它隐藏在组件之间的空白中。
这个示例说明了最重要的最佳设计实践之一:使用固体返回平面在信号线下保持连续的返回路径。如果你不使用连续的返回路径，这并不意味着你的设计行不通，这只是意味着你将产生更多的地面反弹噪声。有时候这种噪音足以毁掉你的产品。
