发 帖  
原厂入驻New
[文章]

高速电路设计学习

2020-12-21 09:23:34  2066 单片机 pcb设计 电路设计 c语言 嵌入式
分享
11
高速电路设计学习
一、PCB设计€€时高速信号和低速信号区分   
        在高速PCB电路设计过程中,经常会遇到信号完整性问题,导致信号传输质量不佳甚至出错。那么如何区分高速信号和普通信号呢?很多人觉得信号频率高的就是高速信号,实则不然。我们知道任何信号都可以由正弦信号的N次谐波来表示,而信号的最高频率或者信号带宽才是衡量信号是否是高速信号的标准。</font>
信号最高频率由信号的上升时间决定,计算公式:F=0.5/Tr(Tr=10%-90%上升时间)
信号的上升时间一般在芯片手册中会给出,上面的公式是针对上升时间10%-90%来说的。在最高频率确定后,走线长度也是衡量高速和低速信号的标准。公式如下:波长=C/F。C为传输速度,近似等于光速,F为最高频率,由上面公式求得。
区分高速和低速信号步骤如下:
1、获得信号最高频率和走线长度L;
2、利用最高频率计算波长;
3、当走线长度L大于六分之一的波长,则信号为高速信号,反之则为低速信号;
举例说明:
    周期频率100MHz,上升时间2ns。由上述公式计算最高频率F=250MHz,波长47in;
   周期频率10MHz,上升时间0.5ns。由上述公式计算最高频率F=1000MHz,波长12in;对比可知10信号最高频率要高于100MHz,走线长度都在6in时10MHz需要视为高速信号。
二、层叠结构设计
多层板中,信号层、电源层及地层的排列顺序,对信号完整性有着很大的影响。在层叠结构设计时,会出现以下几种情况:
1、电源层与地层相邻:电源层与地层相邻可以很好的实现电源与地之间的合,减小电源平面与地平面见的阻抗。
2、信号层与地层相邻:以完整的地层作为参考平面,信号回流路径最好。
3、信号层与电源层相邻:若电源层为完整的平面,也可以获得很好的信号回流路径,若电源层分块,不完整的参考平面会导致信号回流路径上阻抗不连续,影响信号完整性。
注:信号传输分为两个路径:驱动路径和回流路径,驱动路径是能在PCB上看到走线的路径,回流路径没有实际的走线,但回流路径的阻抗不连续依然会引起信号完整性问题。信号在传输过程中会选择最短路径作为回流路径,所以当以完整的地平面作为参考平面时,回流路径上阻抗连续,信号质量最好。以完整的电源平面作为参考平面时,回流通过电源平面返回,还要通过电源平面对地的阻抗回到地,如果电源平面对地阻抗小,则选择电源平面也可以获得很好的回流路径。
4、信号层与信号层相邻:信号会选择最近的电源/地层作为参考层,与信号层相邻会受到相邻信号层的干扰,信号完整性受影响。
三、PCB布线要求
1、尽量避免走线拐角处出现尖角;
2、尽量避免走线过程中出现线宽变化,会导致阻抗不连续,出现信号完整性问题;
3、蛇形线,满足3W原则,高频关键信号尽量不走蛇形线;
4、尽量减少走线分叉,对于一驱多,走成菊花链来减少stub;
5、控制过孔的数目,过孔呈容性,过多的过孔会导致信号完整性问题;
6、对于晶振,会给周围走线带来干扰,不要在晶振下方走线。在表层晶振的下方最好做挖空处理,第二层若不是地层,应在对应区域铺地或者挖空;
7、对于差分信号的参考平面:差分对内两信号互为对方提供返回路径,因此差分对内两信号间耦合非常重要。那么是不是差分对与周围参考平面无需紧密耦合?答案是否定的,由于受工艺和PCB走线等因素,差分对内信号无法实现对称,不可避免的产生共模分量,这部分共模分量是需要通过参考平面来实现回流。
8、PCB板顶层和底层由于参考平面是空气和PCB板第二层,所以阻抗控制很难,在表层不要走高速线,可以走一些低速的,短的信号线。
四、关于信号跨层走线
由于多层板布线需要,经常需要打过孔跨层走线。在跨层走线时要注意以下几点来尽量保持回流路径完整:
1、信号换层时,最好不要改变参考层;
2、信号换层时,最好不要改变参考层的网络属性;
3、信号换层时,最好在信号过孔附近增加一个与参考层同属性的过孔,非同属性的过孔尽量远;
4、若换层前后,两参考层网络属性不同,则要求两参考层相距较近,以减小层间阻抗和返回路径的压降;
5、当换层信号较多时,附加的地或者电源过孔之间应保持一定距离;
串扰:信号线间由于耦合引起的干扰称为串扰。对于高速信号串扰问题:
1、增加高速信号线之间的间距,当多个高速信号长距离平行走线时,应遵守3W原则(实际中可能做不到,但及其敏感的高速信号和高速时钟一定要满足3W原则)
2、降低边沿速率,对于极高频信号,增加线宽,增大差分对间距来减小高频损耗;
3、降低阻抗,减少信号层与参考层之间的阻抗,同样有助于减小信号间串扰;
4、相邻信号层交叉走线;
五、电源完整性
1、减小电源层与地层间距,有利于减小对地阻抗,在电源平面和地平面间的层间寄生电容能发挥非常有效的滤波作用。
2、在使用滤波电容时,电容引脚引线要尽量短,才能获得很好的滤波作用,电容引脚的长引线不仅没有去耦作用,反而容易引起谐振,影响电源完整性;
3、反焊盘和花焊盘的使用:在使用allegro pad designer设计焊盘时,可以设计花焊盘和反焊盘,但这只对于负片来说的,对于正片,使用反焊盘和花焊盘需要在PCB布线时添加。添加的反焊盘尺寸越大,寄生电容越小,阻抗连续性越好,一般反焊盘30mil以上;花焊盘经常用于直插式电源器件的引脚,好处是提高通流能力并有效散热
六、EMC设计中的20H和3H原则
1、20H原则:为了减小单板边缘辐射,要求电源层相对地层内缩20H距离,使得电源层辐射能被地层吸收。20H的意思是20倍的PCB材质厚度。
减小边缘辐射还可以使用法拉第电笼,即在板边四周打上等间距的地过孔,过孔线用导线相连,但不建议连成回路。
2、3H原则:长距离平行走线时,信号间距要求3H,H指信号层和参考层之间的厚度。




黄秀 2020-12-21 17:21:32
学习了,谢谢!!
回复

举报

王栋春 2020-12-21 23:12:33
经验之谈      
回复

举报

图生 2020-12-22 11:04:02
这个20H的H是指的电源铜皮和最接近的地层的距离,比如你多层板第二层是GND,那就是到这个GND层的距离
回复

举报

Benj 2020-12-28 08:07:12
谢谢分享
学习学习
回复

举报

南生 2020-12-30 11:59:11
路过学习,谢谢分享。
回复

举报

评论

高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站作侵删。 侵权投诉
发文章
关闭

站长推荐 上一条 /8 下一条

快速回复 返回顶部 返回列表