對于高速系統(tǒng)的設(shè)計,無論是數(shù)字電路還是模擬電路,不僅需要高速的器件,更需要設(shè)計人員的智慧和嚴謹?shù)脑O(shè)計方案。在高速系統(tǒng)中,噪聲的產(chǎn)生是一個最值得關(guān)注的焦點。高頻信號會由于輻射而產(chǎn)生干擾,高速變化的信號會導(dǎo)致振鈴、反射以及串?dāng)_等,如果不加抑制,這些噪聲會嚴重降低系統(tǒng)的性能。
本文將從電源分配系統(tǒng)及其影響、傳輸線及其相關(guān)的設(shè)計準則、串?dāng)_及其消除、電磁干擾四個方面討論高速PCB板的設(shè)計技術(shù)。?
1電源分配
高速系統(tǒng)板設(shè)計中要考慮的首要問題就是電源分配網(wǎng)絡(luò)。電源分配網(wǎng)絡(luò)必須為低噪聲電路板上的各部分電路提供一個低噪聲的電源,包括VCC和地。同時,電源分配網(wǎng)絡(luò)還要為電路板上所有接收的信號提供一個信號回路。
1.1 電源分配方式及阻抗
對于一個理想電壓源,其阻抗為零,這個零阻抗保證了負載端的電壓與電源端的電壓相等。因為噪聲源的源阻抗相對于電壓源的零阻抗為無窮大,所有的噪聲被吸收。但是,對于一個實際電源,它具有一定的阻抗,且阻抗分布于整個電源網(wǎng)絡(luò)中,從而使噪聲疊加在電源上。為此,電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要目標就是盡可能減小網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。目前,有總線式和電源層式兩種電源網(wǎng)絡(luò)分配形式。
總線系統(tǒng)是由一組具有電路板所需的不同電壓級別的電源線組成,每種電壓級別所需的線路數(shù)目根據(jù)系統(tǒng)的不同而不同。電源層系統(tǒng)則是由多個涂滿金屬的層(或者層的部分)組成的,每個不同電壓級別需要一個單獨的層。
在總線式的電源分配方案中,電源總線與信號線在同一層中,為了給所有的器件提供電源,并給信號線留出空間,電源線總是趨于長且窄的帶狀。這就相當(dāng)于電源線上串了一個電阻,盡管這個電阻很小,但其影響卻很大。例如,在一個只有20個器件的小電路板上,若每個器件的吸收電流為200 mA,那么總電流將為4 A。此時,若電源總線的電阻為0.125 Ω,也會產(chǎn)生0.5 V的壓降,從而使得電源總線末端的器件得到的電壓只有4.5 V。
對于電源層式分配方案,由于電源是通過整個金屬層來分配,其電源阻抗很小,所以電源噪聲也比總線式小得多。
1.2線路噪聲的濾出
僅靠電源層并不能消除電源的線路噪聲,由于不論采用何種電源分配方案,整個系統(tǒng)都會產(chǎn)生足以導(dǎo)致發(fā)生問題的噪聲,所以,額外的濾波(通常利用去耦電容完成)措施是必需的。一般,應(yīng)在電路板的電源接入端放置一個1～10 μF的電容,濾除低頻噪聲;在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1 μF的電容,濾除高頻噪聲。
濾波的目的是濾除疊加在電源供應(yīng)中的交流成分,似乎電容越大越好,但實際并非如此,這是因為實際電容并不具有理想電容的所有特性。實際電容存在寄生成分,這是構(gòu)造電容器極板和引線時所形成的,而這些寄生成份可等效為串聯(lián)在電容電路上的電阻與電感,通常稱之為等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。這樣,電容實際上就是一個串聯(lián)諧振電路,其諧振頻率為
頻率小于fR時呈現(xiàn)為電容,頻率大于fR時呈現(xiàn)為電感。所以,電容器更像是一個帶阻濾波器,而不是一個低通濾波器。
電容的ESL和ESR是由電容的構(gòu)造和所用介質(zhì)材料決定的,與電容容量無關(guān)。對于高頻的抑制能力并不會因為更換大容量的同類型電容而增強。更大容量的同類型電容器的阻抗在頻率低于fR時,比小容量電容器的阻抗小。但是,當(dāng)頻率大于fR時,ESL決定了二者的阻抗沒有差別。可見,為了改進高頻濾波特性,必須使用具有較低ESL的電容器。任何一種電容器的有效頻率范圍是有限的,而對于一個系統(tǒng),既有低頻噪聲,又有高頻噪聲,所以,通常要用不同類型的電容并聯(lián)來達到更寬的有效頻率范圍。
去耦電容在板上的放置位置也很關(guān)鍵,它直接影響高頻濾波的有效性。一般的放置方法如圖1(a)所示,這樣做只是方便布線,并不能提供最有效的高頻濾波特性。為了得到更好的高頻特性,應(yīng)采用圖1(b)所示的放置方法,在該方法中最好使用貼片電容并放置在器件的另一面。
傳輸延遲時間同樣?也取決于L0和C0,單位為時間單位／單位長度,且:
2.1 傳輸線的阻抗計算
在PCB設(shè)計中,有帶狀線和微波線兩種傳輸線。帶狀線是指信號線夾在兩個電源層之間,理論上它能最好地傳輸信號,因為它兩邊都有電源層的屏蔽,但它不利于信號線的測試。微波線的信號線在外層,地層在信號線的另一邊,這樣就易于測試。
L0、C0、Z0和tPD0是由信號線的物理特性和電路板介質(zhì)特性決定的,對于帶狀線:?
對于微波線:??
其中,εR是電路板介質(zhì)的相對介電常數(shù)。
上述傳輸線阻抗的計算是針對在傳輸線末端接集總負載的情況,如果負載分布于傳輸線上時,就改變了傳輸線的特征參數(shù)阻抗Z0和傳輸延遲時間tPD0。改變后的阻抗Z和傳輸延遲時間tPD可由Z0、tPD0和負載電容CL得出:?
2.2反射及其消除
從信號源到負載的最大能量傳輸要求負載阻抗等于源阻抗,如果兩者不相等,那么信號的一部分能量被負載吸收,一部分被反射回信號源,信號源就會產(chǎn)生相應(yīng)的變化去補償輸出。這樣,負載端的信號波就可以當(dāng)作反射波與信號源的輸出疊加。反射波取決于線阻抗與負載阻抗的失配情況及信號跳變時間tR與傳輸延遲時間tPD的比率。
如果跳變時間遠大于傳輸延遲時間,反射對信號只引起小小的擾動,在負載端表現(xiàn)為小小的過沖。如果傳輸延遲時間足夠大,當(dāng)反射信號返回信號源時,信號源的輸出已經(jīng)改變了許多,這樣,信號源就得作出較大的變化去補償輸出,而負載端又反射變化后的信號,從而產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。
傳輸線上反射信號的大小取決于傳輸線阻抗Z0與負載阻抗ZL的差別。反射信號與原信號的比值,稱為反射系數(shù)KR,且
也就是說,負載開路或短路時,信號全部反射回去。短路時反射回去的信號是反向的。
對于大多數(shù)系統(tǒng)來說,需要一種技術(shù)來消除反射,這種技術(shù)就是端接。端接方法有并聯(lián)端接和串聯(lián)端接兩種。前者是指在負載端并聯(lián)一個電阻使負載阻抗ZL減小到Z0,以消除第一次反射;后者是指在負載端串聯(lián)一個電阻使源阻抗ZS增加到Z0,以消除第二次反射。通常一個非常匹配的端接是不可能的,因為驅(qū)動器的高電平輸出阻抗和低電平輸出阻抗有差別,從而使得端接電阻的選擇很困難,不可能有一個對兩種情況都很理想的端接電阻,具體設(shè)計時必須折衷選擇。
2.3 傳輸線的布線規(guī)則
合適的端接將保證信號的抗干擾性能,但是不適當(dāng)?shù)牟季€仍會導(dǎo)致較大的噪聲,因此,為了增強電路板的性能,具體布線時應(yīng)遵循:① 避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性。阻抗的不連續(xù)點就是傳輸線的突變點,它將產(chǎn)生信號的反射。布線時不要使走線成直角;盡可能少用過孔;避免外層的信號通過內(nèi)層以及內(nèi)層的信號通過外層。② 避免采用樁線,因為樁線也是噪聲源,而應(yīng)改為兩條走線,并在兩條線的末端都作端接,如圖3所示。
3 串?dāng)_及其消除
串?dāng)_是信號線之間不希望有的耦合,有容性串?dāng)_和感性串?dāng)_兩種。容性串?dāng)_就是信號線間的容性耦合,當(dāng)信號線在一定程度上靠得比較近時就會發(fā)生。感性串?dāng)_可以想象為信號在一個不希望有的寄生變壓器初次級之間的耦合,變壓器繞組就是電路板上信號的電流環(huán)路,這個環(huán)路可能是人為造成的,也可能是信號的自然回路形成的。感性串?dāng)_的大小取決于兩個環(huán)路的靠近程度和環(huán)路面積的大小以及所影響的負載的阻抗。
對于串?dāng)_的消除可以采用以下措施:對串?dāng)_敏感的信號線進行適當(dāng)?shù)亩私?增大信號線之間的距離以減小容性串?dāng)_;在相鄰信號線之間插入地線也可減小容性串?dāng)_,但這根地線需要每隔1／4λ(λ為信號線上信號的最高頻率的波長)加一個過孔接到地層;對于感性串?dāng)_,應(yīng)盡可能減小環(huán)路面積,若允許,就消除這個環(huán)路;避免信號共用回路。
4 電磁干擾(EMI)及其消除
隨著電路速度的提高,EMI就會變得越來越嚴重。減小EMI的途徑多種多樣,下面主要從電流環(huán)路的消除、濾波和器件的速度三個方面作一簡要介紹。
在所有的設(shè)計中,環(huán)路是不可避免的。環(huán)路相當(dāng)于一個天線,因此最小化環(huán)路引起的EMI問題,就是要減少環(huán)路的數(shù)量和環(huán)路的天線效應(yīng),避免產(chǎn)生人為的環(huán)路并盡量減小環(huán)路的面積。確保信號在任意的兩點上只有唯一一條回路路徑,可以避免人為環(huán)路;盡可能利用電源地層,可以保證信號的自然回路與信號的環(huán)路面積最小,但在電源地層的使用中,應(yīng)注意信號回路不能被阻塞。
濾波是減小電源線上EMI的常用方法,有時也可用于信號線上。但對信號線的濾波是僅當(dāng)其它方法無法消除信號噪聲時才采用的措施。濾波通常有去耦電容、EMI濾波器和磁性元件三種方法。去耦電容在前文中已作過敘述;EMI濾波器是商業(yè)性的器件,種類很多,應(yīng)用在不同頻率范圍的都有;磁性元件是由鐵磁材料構(gòu)成的,主要用于抑制高頻噪聲。
在給定的頻率范圍內(nèi),器件產(chǎn)生的能量越少,輻射的噪聲就越小。對于高速器件,其跳變時間更短,這意味著它在高頻范圍內(nèi)有更多的能量,也就是說會產(chǎn)生更多的噪聲。因此,在系統(tǒng)設(shè)計中,器件的選擇很重要。如果系統(tǒng)要求的速度很高,那么就必須用速度足夠高的器件,為此可能需要做出額外的努力以滿足EMI。但是如果更低速度的器件可以滿足系統(tǒng)的要求,那就沒有必要用更高速的器件。
5 結(jié)束語
當(dāng)更高速度的技術(shù)在理論上為更高速度的系統(tǒng)提供的可能性變?yōu)楝F(xiàn)實時,必須特別小心。本文從電源與地線的統(tǒng)一和穩(wěn)定、合理的布線與消除反射的適當(dāng)端接、串?dāng)_的消除、EMI要求的滿足等幾個方面詳細討論了高速印刷電路板的設(shè)計技術(shù),以供同行參考。
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