设计高速电路板的注意事项

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简介:该文阐述了工艺过程的变化是怎样引起实际阻抗发生变化的,以及怎样用精确的现场解决工具(fieldsolver)来预见这种现象。我在信中指出,即使没有工艺的变化,其它因素也会引起实际阻抗很大的不同。在设计高速电路板时,自动化设计工具有时不能发现这种不很明显但却非常重要的问题。

特性阻抗

一种好的叠层结构就能够作到对阻抗的有效控制,其走线可形成易懂和可预测的传输线结构。现场解决工具能很好地处理这类问题,只要将变量数目控制到最少,就可以得到相当精确的结果。

但是,当三个以上的信号层叠在一起时,情况就不一定是这样了,其理由很微妙。目标阻抗值取决于器件的工艺技术。高速CMOS技术一般能达到约70Ω;高速TTL器件一般能达到约80Ω至100Ω。因为阻抗值通常对噪声容限和信号切换有很大的影响,所以进行阻抗选择时需要非常仔细;产品说明书对此应当给出指导。

现场解决工具的初始结果可能会遇到两种问题。首先是视野受到限制的问题,现场解决工具只对附近走线的影响做分析,而不考虑影响阻抗的其它层上的非平行走线。现场解决工具在布线前,即分配走线宽度时无法知道细节,但上述成对安排的方法可使这个问题变得最小。

值得一提的是不完全电源层(partialpowerplanes)的影响。外层电路板上在布线后经常挤满了接地铜线,这样就有利于抑制EMI和平衡涂敷(balanceplating)。如果只对外层采取这样的措施,则本文所推荐的叠层结构对特性阻抗的影响非常微小。

大量采用相邻信号层的效果是非常显著的。某些些现场解决工具不能发现铜箔的存在,因为它只能检查印制线和整个层面,所以对阻抗的分析结果是不正确的。当邻近的层上有金属时,它就象一个不太可靠的地线层一样。如果阻抗过低,瞬时电流就会很大,这是一个实际而且敏感的EMI问题。

导致阻抗分析工具失败的另一个原因是分布式电容。这些分析工具一般不能反映引脚和过孔的影响(这种影响通常用仿真器来进行分析)。这种影响可能会很大,特别是在背板上。其原因非常简单:

特性阻抗通常可用下述公式计算:√L/C

其中,L和C分别是单位长度的电感和电容。

如果引脚是均匀排布的,附加的电容将大大影响这个计算结果。公式将变成:√L/(C+C')

C'是单位长度的引脚电容。

如果象在背板上那样连接器之间用直线相连,就可用总线路电容以及除了第一和最后一个引脚之外的总引脚电容。这样,有效阻抗就就会降低,甚至可能从80Ω降到8Ω。为了求得有效值,需将原阻抗值除以:√(1+C'/C)

这种计算对于元件选择是很重要的。

延迟

模拟时,应该考虑元件和封装的电容(有时还应包括电感)。要注意两个问题。首先,仿真器可能不能正确模拟分布式电容;其次,还要注意不同生产情况对不完全层面和非平行走线的影响。许多现场解决工具都不能分析没有全电源或地线层的叠层分布。然而,如果与信号层相邻的是一个地线层,那么计算出的延迟会相当糟糕,比如电容,会有最大的延迟;如果一个双面板的两层都布有许多地线和VCC铜箔,这种情况就更严重。如果过程不是自动化的话,在一个CAD系统中设置这些东西将会是很繁乱的。

EMC

EMC的影响因素很多,其中许多因素通常都没能得到分析,即使得到分析,也往往是在设计完成以后,这就太迟了。下面是一些影响EMC的因素:

1.电源层的槽缝会构成了四分之一波长的天线。对于金属容器上需开安装槽的场合,应采用钻孔方法来代替。

2.感性元件。我曾碰到过一位设计人员,他遵循了所有的设计规则,也作了仿真,但他的电路板仍然有很多辐射信号。原因是:在顶层有两个电感相互平行放置,构成了变压器。

3.由于不完全接地层的影响,内层低阻抗引起外层较大的瞬态电流。

采用防卫设计可以避免这些问题中的大多数。首先应该作出正确的叠层结构和布线方略,这样就有了好的开始。

这里没有涉及某些基本问题,比如网络拓扑、信号失真原因和串扰计算方法;只是分析了一些敏感的问题,以帮助读者应用从EDA系统得到的结果。任何分析都要依赖于所采用的模型,分析不到的因素也会对结果产生影响。过于复杂就象太不精确一样,避免过多参量的变化,如印制线宽度等,有助于整齐、一致的设计。

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