【微信精选】高速电路设计难在哪？提升信号完整性的5个经验分享

PCB

一块PCB板上的元器件有各种各样的边值(edge rates)和各种噪声差异。对改善SI最直接的方式就是依据器件的边值和灵敏度，通过PCB板上元器件的物理隔离来实现。

图1是一个实例。在例子中，供电电源、数字I/O端口和高速逻辑这些对时钟和数据转换电路的高危险电路将被特别考虑。

第一个布局中放置时钟和数据转换器在相邻于噪声器件的附近。噪声将会耦合到敏感电路及降低他们的性能。第二个布局做了有效的电路隔离将有利于系统设计的信号完整性。

2、阻抗、反射及终端匹配

a.数字信号将会在接收设备输入端和发射设备的输出端间造成反射。反射信号被弹回并且沿着线的两端传播直到最后被完全吸收。

c.失配信号路径可能导致信号对环境的辐射。

由阻抗不匹配引起的问题可以通过终端电阻降到最小。终端电阻通常是在靠近接收端的信号线上放置一到两个分立器件，简单的做法就是串接小的电阻。

终端电阻限制了信号上升时间及吸收了部分反射的能量。值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破坏性因素。然而认真的选用合适的器件，终端阻抗可以很有效的控制信号的完整性。

并不是所有的信号线都需要阻抗控制，在一些诸如紧凑型 PCI 规格要求中的特征阻抗和终端阻抗特性。对于别的没有阻抗控制规范要求的其他标准以及设计者并没有特意关注的。

最终的标准可能发生变化从一个应用到另一个应用中。因此需要考虑信号线的长度(相关与延迟 Td)以及信号上升时间(Tr)。通用的对阻抗控制规则是 Td(延迟)应大于 Tr 的 1/6。

3、内电层及内电层分割

门电路电流环路中存在两个潜在的问题：

如果地平面间连接了较大的阻抗，在地平面引脚间将会出现电压倒灌。这就必将会导致所有器件的信号幅值的失真并且叠加输入噪声。

b、电流回流环的面积应尽可能的小

通常而言，在地电源平面上是不可以开槽的。然而，在一些不可避免要开槽的场合，PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。

同样的规则也适用于混合信号电路 PCB 板中除非用到多个地层。特别是在高性能ADC电路中可以利用分离模拟信号、数字信号及时钟电路的地层有效的减少信号间的干扰。

需要再次强调的，在一些不可避免要开槽的场合，PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。在带有一个镜像差异的电源层中也应注意层间区域的面积(图4)。

在板卡的边缘存在电源平面层对地平面层的辐射效应。从边沿泄漏的电磁能量将破坏临近的板卡。见下图4a。适当的减少电源平面层的面积(图4 b)，以至于地平面层在一定的区域内交叠。这将减少电磁泄漏对邻近板卡的影响。

图4 地电层的辐射效应

在PCB设计中，串扰问题是另一个值得关注的问题。下图中显示出在一个PCB中相邻的三对并排信号线间的串扰区域及关联的电磁区。当信号线间的间隔太小时，信号线间的电磁区将相互影响，从而导致信号的变化就是串扰。

串扰可以通过增加信号线间距解决。然而，PCB 设计者通常受制于日益紧缩的布线空间和狭窄的信号线间距;由于在设计中没有更多的选择，从而不可避免的在设计中引入一些串扰问题。显然，PCB 设计者需要一定的管理串扰问题的能力。

电源去耦是数字电路设计中惯例，退耦有助于减少电源线上噪声问题。迭加在电源上的高频噪声将会对相邻的数字设备都会带来问题。典型的噪声于地弹、信号辐射或者数字器件自身。

最简单的解决电源噪声方式是利用电容对地上的高频噪声去耦。理想的退耦电容为高频噪声提供了一条对地的低阻通路，从而清除了电源噪声。

依据实际应用选择去耦电容，大多数的设计者会选择表贴电容在尽可能靠近电源引脚，而容值应大到足够为可预见的电源噪声提供一条低阻对地通路。

采用退耦电容通常会遇到的问题是不能将退耦电容简单的当成电容。有以下几种情况：

b、电容会带来一些等效电阻;

d、在地引脚和地平面间的导线会带来一些等效电感;

a、电容将会对特定的频率引发共振效应和由其产生的网络阻抗对相邻频段的信号造成更大的影响;

以下总结了由此对一个数字设计者产生的效应：

b、选择低 ESR 效应的电容，这有助于提高对电源的退耦;

在设计中还应考虑用大容量电容对低频噪声的退耦。采用分离的电解电容和钽电容可以很好的提高器件的性价比。

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