高速pcb設(shè)計指南之五(已修改)
2025-07-12 10:55 本頁面
【正文】 高速PCB設(shè)計指南之五第一篇 DSP系統(tǒng)的降噪技術(shù) 隨著高速DSP（數(shù)字信號處理器）和外設(shè)的出現(xiàn)，新產(chǎn)品設(shè)計人員面臨著電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重的威脅。早期，把發(fā)射和干擾問題稱之為EMI或RFI（射頻干擾）?，F(xiàn)在用更確定的詞“干擾兼容性”替代。電磁兼容性（EMC）包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到最小。如果一個DSP系統(tǒng)符合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的。1． 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。2． 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。3． 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。干擾定義 當(dāng)干擾的能量使接收器處在不希望的狀態(tài)時引起干擾。干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等）就是間接的（通過串?dāng)_或輻射耦合）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導(dǎo)體和通過輻射。很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起干擾。AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速數(shù)字電路中，時鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源。在快速DSP中，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300MHz的諧波失真，在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們?nèi)サ?。在?shù)字電路中，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線。傳導(dǎo)性EMI 一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可檢拾噪聲并把噪聲送到另外電路引起干擾。設(shè)計人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲和在噪聲產(chǎn)生引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。最普通的例子是噪聲通過電源線進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對其去耦。共阻抗耦合 當(dāng)來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定。來自兩個電路的地電流流經(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)制。噪聲信號或DC補償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。輻射耦合經(jīng)輻射的耦合通稱串?dāng)_，串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。輻射發(fā)射 輻射發(fā)射有兩種基本類型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問題。為使CM輻射最小，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。影響EMC的因數(shù)電壓——電源電壓越高，意味著電壓振幅越大而發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。頻率——高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時產(chǎn)生電流尖峰信號；在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。接地——對于電路設(shè)計沒有比可靠和完美的電源系統(tǒng)更重要的事情。在所有EMC問題中，主要問題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時可采用單點接地方法，但不適于高頻。在高頻應(yīng)用中，最好采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點接地而高頻用多點接地的方法。地線布局是關(guān)鍵的。高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。PCB設(shè)計——適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。電源去耦——當(dāng)器件開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓。高di/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和纜線輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降最小。降低噪聲的技術(shù)防止干擾有三種方法：1． 抑制源發(fā)射。 2． 使耦合通路盡可能地?zé)o效。 3． 使接收器對發(fā)射的敏感度盡量小。 下面介紹板級降噪技術(shù)。板級降噪技術(shù)包括板結(jié)構(gòu)、線路安排和濾波。板結(jié)構(gòu)降噪技術(shù)包括：* 采用地和電源平板* 平板面積要大，以便為電源去耦提供低阻抗* 使表面導(dǎo)體最少* 采用窄線條（4到8密耳）以增加高頻阻尼和降低電容耦合* 分開數(shù)字、模擬、接收器、發(fā)送器地/電源線* 根據(jù)頻率和類型分隔PCB上的電路* 不要切痕PCB，切痕附近的線跡可能導(dǎo)致不希望的環(huán)路* 采用多層板密封電源和地板層之間的線跡* 避免大的開環(huán)板層結(jié)構(gòu)* PCB聯(lián)接器接機殼地，這為防止電路邊界處的輻射提供屏蔽* 采用多點接地使高頻地阻抗低* 保持地引腳短于波長的1/20,以防止輻射和保證低阻抗線路安排降噪技術(shù)包括用45。而不是90。線跡轉(zhuǎn)向，90。轉(zhuǎn)向會增加電容并導(dǎo)致傳輸線特性阻抗變化* 保持相鄰激勵線跡之間的間距大于線跡的寬度以使串?dāng)_最小* 時鐘信號環(huán)路面積應(yīng)盡量小* 高速線路和時鐘信號線要短和直接連接* 敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關(guān)轉(zhuǎn)換信號的線跡并行* 不要有浮空數(shù)字輸入，以防止不必要的開關(guān)轉(zhuǎn)換和噪聲產(chǎn)生* 避免在晶振和其它固有噪聲電路下面有供電線跡* 相應(yīng)的電源、地、信號和回路線跡要平行以消除噪聲* 保持時鐘線、總線和片使能與輸入/輸出線和連接器分隔* 路線時鐘信號正交I/O信號* 為使串?dāng)_最小，線跡用直角交叉和散置地線* 保護(hù)關(guān)鍵線跡（用4密耳到8密耳線跡以使電感最小，路線緊靠地板層，板層之間夾層結(jié)構(gòu)，保護(hù)夾層的每一邊都有地）濾波技術(shù)包括：* 對電源線和所有進(jìn)入PCB的信號進(jìn)行濾波* 在IC的每一個點原引腳用高頻低電感陶瓷電容（，）進(jìn)行去耦* 旁路模擬電路的所有電源供電和基準(zhǔn)電壓引腳* 旁路快速開關(guān)器件* 在器件引線處對電源/地去耦* 用多級濾波來衰減多頻段電源噪聲其它降噪設(shè)計技術(shù)有：* 把晶振安裝嵌入到板上并接地* 在適當(dāng)?shù)牡胤郊悠帘? 用串聯(lián)終端使諧振和傳輸反射最小，負(fù)載和線之間的阻抗失配會導(dǎo)致信號部分反射，反射包括瞬時擾動和過沖，這會產(chǎn)生很大的EMI* 安排鄰近地線緊靠信號線以便更有效地阻止出現(xiàn)電場* 把去耦線驅(qū)動器和接收器適當(dāng)?shù)胤胖迷诰o靠實際的I/O接口處，這可降低到PCB其它電路的耦合，并使輻射和敏感度降低* 對有干擾的引線進(jìn)行屏蔽和絞在一起以消除PCB上的相互耦合* 在感性負(fù)載上用箝位二極管EMC是DSP系統(tǒng)設(shè)計所要考慮的重要問題，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)慕翟爰夹g(shù)使DSP系統(tǒng)符合EMC要求
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