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PCB设想中3种特别走线技能-澳门金沙205500.com

2016-07-15

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布线(Layout)是PCB设想工程师最根基的事情妙技之一。走线的优劣将间接影响到全部体系的机能,大多数高速的设想实际也要终究经由 Layout 得以实现并考证,因而可知,布线正在高速 PCB 设想中是至关重要的。上面将针对现实布线中能够碰到的一些状况,剖析其合理性,并给出一些对照优化的走线战略。

重要从直角走线,差分走线,蛇形线等三个方面去论述。

 


1
直角走线

 

直角走线一样平常是PCB布线中要求只管制止的状况,也险些成为权衡布线优劣的尺度之一,那么直角走线终究会对旌旗灯号传输发生多大的影响呢?从道理上道,直角走线会使传输线的线宽发作转变,形成阻抗的不一连。实在不但是直角走线,顿角,锐角走线都可能会形成阻抗转变的状况。

直角走线的对旌旗灯号的影响就是重要表现正在三个方面:
一是拐角能够等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;
二是阻抗不连续会形成旌旗灯号的反射;
三是直角尖端发生的EMI。

图1-8-13  差别角度走线的拐角线宽转变

传输线的直角带来的寄生电容能够由上面这个履历公式去盘算:
C=61W(Er)1/2/Z0-金沙9699us

正在上式中,C 就是指拐角的等效电容(单元:pF),W指走线的宽度(单元:inch),εr指介质的介电常数,Z0就是传输线的特性阻抗。举个例子,关于一个4Mils的50欧姆传输线(εr为4.3)来讲,一个直角带来的电容量也许为0.0101pF,进而能够预算由此引发的上升时间转变量:
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps

经由过程盘算能够看出,直角走线带去的电容效应是极为细小的。

因为直角走线的线宽增添,该处的阻抗将减小,因而会发生肯定的旌旗灯号反射征象,我们能够凭据传输线章节中提到的阻抗盘算公式去算出线宽增添后的等效阻抗,然后凭据履历公式盘算反射系数:
ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

一样平常直角走线致使的阻抗转变正在7%-20%之间,因此反射系数最大为0.1阁下。并且,从下图能够看到,正在W/2线少的时间内传输线阻抗转变到最小,再经由W/2工夫又规复到一般的阻抗,全部发作阻抗转变的工夫极短,每每正在10ps 以内,如许快并且细小的转变对一样平常的旌旗灯号传输来讲险些是能够疏忽的。

图1-8-14  90度拐角剖析

许多人对直角走线都有如许的明白,以为尖端轻易发射或吸收电磁波,发生 EMI,那也成为许多人以为不克不及直角走线的来由之一。但是许多现实测试的效果显现,直角走线其实不会比直线发生很明显的 EMI。或许现在的仪器机能,测试程度制约了测试的精确性,但最少道清楚明了一个题目,直角走线的辐射曾经小于仪器自己的测量误差。

总的说来,直角走线其实不是设想中的那么恐怖。最少正在GHz以下的运用中,其发生的任何诸如电容,反射,EMI等效应正在TDR测试中险些表现不出来,高速PCB设想工程师的重点照样应当放正在结构,电源/天设想,走线设想,过孔等其他方面。固然,只管直角走线带去的影响不是很严峻,但其实不是道我们今后皆能够走直角线,注重细节是每一个优异工程师必备的基本素质,并且,跟着数字电路的飞速生长,PCB 工程师处置惩罚的旌旗灯号频次也会不断提高,到 10GHz 以上的 RF 设想范畴,这些小小的直角皆能够成为高速题目的重点工具。-222.AG



2
差分走线

 

差分旌旗灯号(Differential Signal)正在高速电路设计中的运用愈来愈普遍,电路中最要害的旌旗灯号每每皆要接纳差分结构设计,甚么另它这么倍受喜爱呢?正在PCB设想中又怎样能包管其优越的机能呢?带着这两个题目,我们停止下一部分的议论。

图1-8-15  差分旌旗灯号构造示意图

何为差分旌旗灯号?浅显天道,就是驱动端发送两个等值、反相的旌旗灯号,吸收端经由过程对照那两个电压的差值去判定逻辑状况"0"照样"1"。而承载差分旌旗灯号的那一对走线就称为差分走线。

差分旌旗灯号和一般的单端旌旗灯号走线比拟,最显着的上风表现正在以下三个方面:

a.抗干扰能力强,由于两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪声滋扰时,险些是同时被耦合到两条线上,而吸收端体贴的只是两旌旗灯号的差值,以是外界的共模噪声能够被完整抵消。

b.能有用抑止 EMI,一样的原理,因为两根旌旗灯号的极性相反,他们对外辐射的电磁场能够互相抵消,耦合的越严密,鼓放到外界的电磁能量越少。

c.时序定位准确,因为差分旌旗灯号的开关转变是位于两个旌旗灯号的交点,而不像一般单端旌旗灯号依托上下两个阈值电压判定,因此受工艺,温度的影响小,能低落时序上的偏差,同时也更适合于低幅度旌旗灯号的电路。现在盛行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指这类小振幅差分旌旗灯号手艺。

关于PCB工程师来讲,最存眷的照样怎样确保正在现实走线中能完整施展差分走线的这些上风。或许只如果打仗过Layout的人都邑了解差分走线的一样平常要求,那就是"等少、等距"。等少是为了包管两个差分旌旗灯号时候连结相反极性,削减共模重量;等距则重要是为了包管二者差分阻抗同等,削减反射。"只管接近原则"有时候也是差分走线的要求之一。但一切这些划定规矩皆不是用来生吞活剥的,很多工程师好像借不了解高速差分旌旗灯号传输的素质。上面重点讨论一下PCB差分旌旗灯号设想中几个常见的误区。


误区一:以为差分旌旗灯号不需要天平面作为回流途径,大概以为差分走线相互为对方供应回流路子。形成这类误区的缘由是被外面征象疑惑,大概对高速旌旗灯号传输的机理熟悉借不敷深切。从图 1-8-15 的吸收端的构造能够看到,晶体管Q3,Q4 的发射极电流是等值,反向的,他们正在接地处的电流恰好互相抵消(I1=0),因此差分电路关于相似天弹和别的能够存在于电源和地平面上的乐音旌旗灯号是不敏感的。天平面的局部回流抵消其实不代表差分电路便不以参考平面作为旌旗灯号返回途径,其着实旌旗灯号回流剖析上,差分走线和一般的单端走线的机理是同等的,即高频旌旗灯号老是沿着电感最小的回路停止回流,最大的区分在于差分线除有对天的耦合以外,借存在相互之间的耦合,哪一种耦合强,那一种便成为重要的回流通路。图 1-8-16 是单端旌旗灯号和差分旌旗灯号的地磁场散布示意图。

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图1-8-16  单端旌旗灯号和差分旌旗灯号的地磁场散布示意图

正在PCB电路设计中,一样平常差分走线之间的耦合较小,每每只占10~20%的耦合度,更多的照样对天的耦合,以是差分走线的重要回流途径照样存在于天平面。本地平面发作不一连的时刻,无参考平面的地区,差分走线之间的耦合才会供应重要的回流通路,见图 1-8-17所示。只管参考平面的不一连对差分走线的影响没有对一般的单端走线来的严峻,但照样会低落差分旌旗灯号的质量,增添 EMI,要只管制止。也有些设计人员以为,能够去掉差分走线下方的参考平面,以抑止差分传输中的局部共模旌旗灯号,但从理论上看这类做法是不可取的,阻抗怎样掌握?不给共模旌旗灯号供应天阻抗回路,必将会形成EMI辐射,这类做法弊大于利。

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图1-8-17  不一连的地平面上的差分旌旗灯号回流

误区二:以为连结等间距比婚配线长更主要。正在现实的PCB布线中,每每不克不及同时知足差分设计的要求。因为管脚散布,过孔,和走线空间等身分存在,必需经由过程恰当的绕线才气到达线少婚配的目标,但带来的效果一定是差分对的局部地区没法平行,这时候我们该怎样弃取呢?鄙人结论之前我们先看看上面一个仿真效果。

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图1-8-18

从上面的仿真效果看来,计划 1 和计划 2 波形险些是重合的,也就是说,间距不等形成的影响是微不足道的,相比较而言,线长不匹配对时序的影响要大很多(计划3)。再从实际剖析来看,间距不一致固然会致使差分阻抗发作转变,但由于差分对之间的耦合自己便不明显,以是阻抗转变局限也是很小的,一般正在10%之内,只相当于一个过孔形成的反射,那对旌旗灯号传输不会形成显着的影响。而线少一旦不婚配,除时序上会发作偏移,还给差分旌旗灯号中引入了共模的身分,低落旌旗灯号的质量,增添了EMI。

能够这么道,PCB 差分走线的设想中最重要的划定规矩就是婚配线少,别的的划定规矩皆能够凭据设想要求和现实运用停止天真处置惩罚。

误区三:以为差分走线一定要靠的很远。让差分走线接近不过是为了加强他们的耦合,既能够进步对噪声的免疫力,借能充分利用磁场的相反极性去抵消对外界的电磁滋扰。虽然说这类做法在大多数情况下黑白常有利的,但不是绝对的,若是能包管让它们获得充裕的屏障,不受外界滋扰,那么我们也便不需要再让经由过程相互的强耦合到达抗干扰和抑止EMI的目标了。如何才能包管差分走线具有优越的断绝和屏障呢?增大与其它旌旗灯号走线的间距是最根基的路子之一,电磁场能量是跟着间隔呈平方干系递加的,一样平常线间距凌驾4 倍线宽时,它们之间的滋扰便极为微小了,根基能够疏忽。另外,经由过程天平面的断绝也能够起到很好的屏障感化,这类构造正在高频的(10G以上)IC封装PCB 设想中常常会用接纳,被称为CPW构造,能够包管严厉的差分阻抗掌握(2Z0),如图1-8-19。

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图1-8-19  封装中的CPW构造

差分走线也能够走正在差别的旌旗灯号层中,但一样平常不发起这类走法,由于差别的层发生的诸如阻抗、过孔的差异会损坏差模传输的结果,引入共模噪声。另外,若是相邻两层耦合不敷严密的话,会低落差分走线反抗噪声的才能,但若是能连结和四周走线恰当的间距,串扰就不是个题目。正在一样平常频次(GHz 以下),EMI也不会是很严峻的题目,实行注解,相距500Mils的差分走线,正在3米以外的辐射能量衰减曾经到达60dB,足以知足FCC的电磁辐射尺度,以是设计者基础不消过火忧郁差分线耦合不敷而形成电磁不兼容问题。



3
蛇形线 


蛇形线是Layout中常常运用的一类走线体式格局。其重要目标就是为了调治延时,知足体系时序设想要求。设计者起首要有如许的熟悉:蛇形线会损坏旌旗灯号质量,改动传输延时,布线时要只管制止运用。但现实设想中,为了包管旌旗灯号有充足的连结工夫,大概减小同组旌旗灯号之间的工夫偏移,每每不能不居心停止绕线。

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图1-8-20  几种蛇形走线构造

那么,蛇形线对旌旗灯号传输有甚么影响呢?走线时要注重些甚么呢?个中最要害的两个参数就是平行耦合长度(Lp)和耦合间隔(S),如图1-8-21所示。很明显,旌旗灯号正在蛇形走线上传输时,互相平行的线段之间会发作耦合,呈差模情势,S越小,Lp越大,则耦合水平也越大。可能会致使传输延时减小,和因为串扰而大大低落旌旗灯号的质量,其机理能够参考第三章对共模和差模串扰的剖析。

图1-8-21  螺旋走线和一般蛇形线的对照

上面是给Layout工程师处置惩罚蛇形线时的几点发起:
1. 只管增添平行线段的间隔(S),最少大于3H,H指旌旗灯号走线到参考平面的间隔。浅显的道就是绕大弯走线,只要S充足大,便险些能完整制止互相的耦合效应。
2. 减小耦合长度Lp,当两倍的Lp延时靠近或凌驾旌旗灯号上升时间时,发生的串扰将到达饱和。
3. 带状线(Strip-Line)大概埋式微带线(Embedded Micro-strip)的蛇形线引发的旌旗灯号传输延时小于微带走线(Micro-strip)。理论上,带状线不会由于差模串扰影响传输速度。
4. 高速和对时序要求较为严厉的信号线,只管不要走蛇形线,特别不克不及正在小范围内蜿蜒走线。
5. 能够常常接纳恣意角度的蛇形走线,如图1-8-20中的C构造,能有用的削减互相间的耦合。
6. 高速PCB 设想中,蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的才能,只能够低落旌旗灯号质量,以是只做时序婚配之用而无别的目标。
7. 偶然能够思索螺旋走线的体式格局停止绕线,仿真注解,其结果要优于一般的蛇形走线。



转载自村田中文手艺社区