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李勇

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信号完整性与PCB设计介绍

  有电流流过的导线或者走线周围会产生电场和磁场,合称电磁场。它们的强度与电流的大小成正比。它们的传播速度取决于传播的介质,特别是介质的相对介质常数。
  电磁场在介质中的传播速度决定了信号在这种介质中的传播速度。根据法拉第的电磁感应定律的描述:一个变化的磁场能在附近的一根导线中产生感应电流。当导线或走线中有交流电流流过时,就会在它附近的导线或走线中产生与它类似的电流。这就导致了串扰和电磁干扰的问题了。
  防止电磁干扰的方法:
  1)减小信号线的回路(磁场的相互抵消)。即让信号线和与它构成回路的回流信号线尽量的靠近。因为它们所产生的电磁场正好是相反的,距离越靠近,电磁场就可以相互抵消得越多,对附近走线的电磁干扰就越小。
2.jpg
  2) 增大信号线间的距离,减小信号间的耦合。如下图:
2.jpg
  当有变化的电流信号1流过走线1时,电流会在走线1周围产生一个变化的磁场,这个变化的磁场会以系数K耦合到走线2上,这时会在走线2中产生一个与信号1方向相反的电流,电流大小是信号1电流的K(耦合系数)倍,K为0到1之间(变压器原理)。耦合系数K的值决定了耦合电流的大小,耦合系数的大小取决于信号1电流变化的速度和走线1和走线2的距离D。D越大,K就越小,耦合电流就越小。对走线2的影响就越小。
  3)用地线屏蔽和包裹信号
  4)避免/减少短截线
  短截线是从走线的主要通路上延伸出来的、开路的短走线线段。每一根走线都是一根天线,有可能会引起天线效应。所以要尽量避免没有连接到任何器件上的走线。
  5)避免共模电流。
  共模电流就是信号返回的路径跟信号的流出路同向了。这不是一个期望的路径。正常情况下,我们所期望的信号路径是:信号流出后,以最短路径且最小回路返回。但差模电流就是它有多个路径,信号一部份从最小回路返回了,但另一部份却走向了其它路径,这时就可能产生共模电流了。如下图:
2.jpg
  图中是所示为有地回路的走线。正常情况下我们希望是注I1沿白色线出来,再沿紫红色线返回。但是因为走了地回路,I1一部分沿白色线返回,还有一部份沿黄色线返回,黄色线和紫红色线又构成了一个回路,这时就会有一个I1’的电流与I1同向了,就产生了共模电流了。这就是为什么我们不能走地回路的原因了。



原作者:足下之行始于心

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