高速pcb設(shè)計(jì)指南之一(編輯修改稿)
2024-10-08 21:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)工作在 50MHz 時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)的完整性問題；而當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到 120MHz 時(shí)，除非使 用高速電路設(shè)計(jì)知識(shí)，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的 PCB 將無法工作。因此，高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采取的設(shè)計(jì)手段。只有通過使用高速電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可控性。 （二）、什么是高速電路 通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45MHZ~50MHZ，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量（比如說１／３），就稱為高速電路。 實(shí)際上，信號(hào)邊沿的諧波頻率比信號(hào)本身的頻率高，是信號(hào) 快速變化的上升沿與下降沿（或稱信號(hào)的跳變）引發(fā)了信號(hào)傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因 此，通常約定如果線傳播延時(shí)大于 1/2 數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)端的上升時(shí)間，則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。 信號(hào)的傳遞發(fā)生在信號(hào)狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時(shí)間。信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端到接收端經(jīng)過一段固定的時(shí)間，如果傳輸時(shí)間小于 1/2 的上升或下降時(shí)間，那么來自接收端的反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之前到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。反之，反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之后到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。如果反射信號(hào)很強(qiáng)，疊加的波形就有可能會(huì)改變邏輯狀態(tài)。 （三）、高速信號(hào)的確定 上面我們定義了傳輸線效應(yīng)發(fā)生的前提條件，但是如何得知線延時(shí)是否大于 1/2 驅(qū)動(dòng) 端的信號(hào)上升時(shí)間？ 一般地，信號(hào)上升時(shí)間的典型值可通過器件手冊(cè)給出，而信號(hào)的傳播時(shí)間在 PCB設(shè)計(jì)中由實(shí)際布線長度決定。下圖為信號(hào)上升時(shí)間和允許的布線長度 (延時(shí) )的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 PCB 板上每單位英寸的延時(shí)為 .。但是，如果過孔多，器件管腳多，網(wǎng)線上設(shè)置的約束多，延時(shí)將增大。通常高速邏輯器件的信號(hào)上升時(shí)間大約為 。如果板上有 GaAs 芯片，則最大布線長度為 。 設(shè) Tr 為信號(hào)上升時(shí)間， Tpd 為信號(hào)線傳播延時(shí)。如果Tr≥4Tpd，信號(hào)落在安全區(qū)域。如果 2Tpd≥Tr≥4Tpd，信號(hào)落在不確定區(qū)域。如果 Tr≤2Tpd，信號(hào)落在問題區(qū)域。對(duì)于落在不確定區(qū)域及問題區(qū)域的信號(hào)，應(yīng)該使用高速布線方法。 （四）、什么是傳輸線 PCB 板上的走線可等效為下圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻的典型值 ohms/foot，因?yàn)榻^緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的 PCB 連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Zo。線徑越寬，距電源 /地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號(hào)和信號(hào)最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號(hào)在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射信號(hào)將傳回信號(hào)發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號(hào)的幅度將減小，直到信號(hào)的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。這種效應(yīng)被稱為振蕩，信號(hào)的振蕩在信號(hào)的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹健? （五）、傳輸線效應(yīng) 基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會(huì)對(duì)整個(gè)電路設(shè) 計(jì)帶來以下效應(yīng)。 反射信號(hào) Reflected signals 延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤 Delay amp。 Timing errors 多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤 False Switching 過沖與下沖 Overshoot/Undershoot 串?dāng)_ Induced Noise (or crosstalk) 電磁輻射 EMI radiation 反射信號(hào) 如果一根走線沒有被正確終結(jié) (終端匹配 )，那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。當(dāng)失真變形非常顯著時(shí)可導(dǎo)致多種錯(cuò)誤，引起設(shè)計(jì)失敗。同時(shí)，失真變形的信號(hào)對(duì)噪聲的敏感性增加了，也會(huì)引起設(shè)計(jì)失敗。如果上述 情況沒有被足夠考慮， EMI 將顯著增加，這就不單單影響自身設(shè)計(jì)結(jié)果，還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失敗。 反射信號(hào)產(chǎn)生的 主要原因 ：過長的走線；未被匹配終結(jié)的傳輸線，過量電容
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