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如何解决PCB电路信号完整性的问题

一、PCB走线半途容性负载反射

很多时刻,PCB走线半途会颠末过孔测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,一定对旌旗灯号造成影响。走线半途的电容对旌旗灯号的影响要从发射端和吸收端两个方面阐发,对动身点和终点都有影响。

首先看一下对旌旗灯号发射真个影响。当一个快速上升的阶跃旌旗灯号到达电容时,电容快速充电,充电电流和旌旗灯号电压上升快慢有关,充电电流公式为:I=C*dV/dt。电容量越大年夜,充电电流越大年夜,旌旗灯号上升光阴越快,dt越小,同样使充电电流越大年夜。

我们知道,旌旗灯号的反射与旌旗灯号感想熏染到的阻抗变更有关,是以为了阐发,我们看一下,电容引起的阻抗变更。在电容开始充电的初期,阻抗表示为:

这里dV实际上是阶跃旌旗灯号电压变更,dt为旌旗灯号上升光阴,电容阻抗公式变为:

从这个公式中,我们可以获得一个很紧张的信息,当阶跃旌旗灯号施加到电容两真个初期,电容的阻抗与旌旗灯号上升光阴和本身的电容量有关。

平日在电容充电初期,阻抗很小,小于走线的特点阻抗。旌旗灯号在电容处发生负反射,这个负电压旌旗灯号和原旌旗灯号叠加,使得发射真个旌旗灯号孕育发生下冲,引起发射端旌旗灯号的非单调性。

对付接管端,旌旗灯号到达接管端后,发生正反射,反射回来的旌旗灯号到达电容位置,那个样发生负反射,反射回接管真个负反射电压同样使接管端旌旗灯号孕育发生下冲。

为了使反射噪声小于电压摆幅的5%(这种环境对旌旗灯号影响可以容忍),阻抗变更必须小于10%。那么电容阻抗应该节制在若干?电容的阻抗体现为一个并联阻抗,我们可以用并联阻抗公式和反射系数公式来确定它的范围。对付这种并联阻抗,我们盼望电容阻抗越大年夜越好。假设电容阻抗是PCB走线特点阻抗的k倍,根据并联阻抗公式获得电容处旌旗灯号感想熏染到的阻抗为:

阻抗变更率为:,即,也便是说,根据这种抱负的谋略,电容的阻抗至少如果PCB特点阻抗的9倍以上。实际上,跟着电容的充电,电容的阻抗赓续增添,并不是不停维持最低阻抗,别的,每一个器件还会有寄生电感,使阻抗增添。是以这个9倍限定可以放宽。

鄙人边的评论争论中假设这个限定是5倍。

有了阻抗的指标,我们就可以确定能容忍多大年夜的电容量。电路板上50欧姆特点阻抗很常见,我就用50欧姆来谋略。

得出:

即在这种环境下,假如旌旗灯号上升光阴为1ns,那么电容量要小于4皮法。反之,假如电容量为4皮法,则旌旗灯号上升光阴最快为1ns,假如旌旗灯号上升光阴为0.5ns,这个4皮法的电容就会孕育发生问题。

这里的谋略只不过是为了阐明电容的影响,实际电路中环境十分繁杂,必要斟酌的身分更多,是以这里谋略是否正确没有实际意义。关键是要经由过程这种谋略理解电容是若何影响旌旗灯号的。我们对电路板上每一个身分的影响都有一个感性熟识后,就能为设计供给需要的指示,呈现问题就知道若何去阐发。正确的评估必要用软件来仿真。

总结:

1. PCB走线半途容性负载使发射端旌旗灯号孕育发生下冲,接管端旌旗灯号也会孕育发生下冲。

2.能容忍的电容量和旌旗灯号上升光阴有关,旌旗灯号上升光阴越快,能容忍的电容量越小。

二、接管端容性负载的反射

旌旗灯号的接管端可能是集成芯片的一个引脚,也可能是其他元器件。不论接管端是什么,实际的器件的输入端一定存在寄生电容,吸收旌旗灯号的芯片引脚和相邻引脚之间有必然的寄生电容,和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容,别的引脚和旌旗灯号返回路径之间也会存在寄生电容。

好繁杂,这么多寄生电容!着实很简单,想想电容是什么?两个金属板,中心是某种绝缘介质。这个定义中并没有说两个金属板是什么外形的,芯片两个相邻引脚也可以看做是电容的两个金属板,中心介质是空气,

不便是一个电容么。芯片引脚和PCB板内层的电源或地平面也是一对金属板,中心介质是PCB板的板材,常见的是FR4材料,也是一个电容。呵呵,搞来搞去,照样回到了最根基的部分。高手不要笑,太简单了。不过确凿很多人看到寄生电容就认为有点晕,理解不透,以是在这里烦琐一下。

回到正题,下面钻研一下旌旗灯号终真个电容有什么影响。将模型简化,用一个分立电容元件代替所有寄生电容,如图1所示。

我们考察B点电容的阻抗环境。电容的电流为:

跟着电容的充电,电压变更率徐徐减小(电路道理中的瞬态历程),电容的充电电流也赓续减小。即电容的充电电流是随光阴变更的。

电容的阻抗为:

是以电容所体现出来的阻抗随光阴变更,不是恒定的。恰是这种阻抗的变更特点抉择了电容对旌旗灯号影响的特殊性。假如旌旗灯号上升光阴小于电容的充电光阴,最初电容两真个电压迅速上升,这时阻抗很小。跟着电容充电,电压变更率下降,充电电流减小,体现为阻抗显着增大年夜。充电光阴无穷大年夜时,电容相称于开路,阻抗无穷大年夜。

阻抗的变更一定影响旌旗灯号的反射。在充电的开始一段光阴,阻抗很小,小于传输线的特点阻抗,将发生负反射,反射回源端A点的旌旗灯号将孕育发生下冲。跟着电容阻抗的增添,反射徐徐过渡到正反射,A点的旌旗灯号颠末一个下冲会徐徐升高,终极达到开路电压。

是以电容负载使源端旌旗灯号孕育发生局部电压凹陷。正确波形和传输线的特点阻抗、电容量、旌旗灯号上升光阴有关。

对付接管端,很显着,便是一个RC充电电路,不是很严谨,然则和实际环境异常相似。电容两端电压,即B点电压随RC充电电路的光阴常数呈指数增添(基础电路道理)。是以电容对接管端旌旗灯号上升光阴孕育发生影响。

RC充电电路的光阴常数为

这是B点电压上升到电压终值的即37%所需的光阴。B点电压10%~90%上升光阴为

假如传输线特点阻抗为50欧姆,电容量10pF,则10~90充电光阴为1.1ns。假如旌旗灯号上升光阴小于1.1ns,那么B点电压上升光阴主要由电容充电光阴抉择。假如旌旗灯号上升光阴大年夜于1.1ns,末尾电容器感化是使上升光阴进一步延长,增添约1.1ns(实际应比这个值小)。图2显示了终端电容负载对驱动端和吸收端孕育发生影响的示意图,放在这里,让大年夜家能有个感性的熟识。

图2

至于旌旗灯号上升光阴增添的正确值是若干,对付电路设计来说没需要,只要定性的阐发,有个大年夜致的估算就可以了。由于谋略再正确也没实际意义,电路板的参数也不正确!对付设计者来说,定性阐发并懂得影响,大年夜致估算出影响在那个量级,能给电路设计供给指示就可以了,其他的事软件来做吧。

举个例子,假如旌旗灯号上升光阴1ns,电容使旌旗灯号上升光阴增添远小于1ns,比如0.2 ns,那么这么一点点增添可能不会有什么影响。假如电容造成的上升光阴增添很多,那可能就会对电路时序孕育发生影响。那么若干算很多?看看电路的时序余量吧,这涉及到电路的时序阐发和时序设计。

总之接管端电容负载的影响有两点:

1、使源端(驱动端)旌旗灯号孕育发生局部电压凹陷。

2、接管端旌旗灯号上升光阴延长。

在电路设计中这两点都要斟酌。

三、PCB走线宽度变更孕育发生的反射

在进行PCB布线时,常常会发生这样的环境:走线经由过程某一区域时,因为该区域布线空间有限,不得不应用更细的线条,经由过程这一区域后,线条再规复原本的宽度。走线宽度变更会引起阻抗变更,是以发生反射,对旌旗灯号孕育发生影响。那么什么环境下可以轻忽这一影响,又在什么环境下我们必须斟酌它的影响?

有三个身分和这一影响有关:阻抗变更的大年夜小、旌旗灯号上升光阴、窄线条上旌旗灯号的时延。

首先评论争论阻抗变更的大年夜小。很多电路的设计要求反射噪声小于电压摆幅的5%(这和旌旗灯号上的噪声预算有关),根据反射系数公式:

以谋略出阻抗大年夜致的变更率要求为:

你可能知道,电路板上阻抗的范例指标为+/-10%,根滥觞基本因就在这。

假如阻抗变更只发生一次,例如线宽从8mil变到6mil后,不停维持6mil宽度这种环境,要达到突变处旌旗灯号反射噪声不跨越电压摆幅的5%这一噪声预算要求,阻抗变更必须小于10%。这无意偶尔很难做到,以 FR4板材上微带线的环境为例,我们谋略一下。

假如线宽8mil,线条和参考平面之间的厚度为4mil,特点阻抗为46.5欧姆。线宽变更到6mil后特点阻抗变成54.2欧姆,阻抗变更率达到了20%。反射旌旗灯号的幅度一定超标。至于对旌旗灯号造成多大年夜影响,还和旌旗灯号上升光阴和驱动端到反射点处旌旗灯号的时延有关。但至少这是一个潜在的问题点。幸运的是这时可以经由过程阻抗匹配端接办理问题。

假如阻抗变更发生两次,例如线宽从8mil变到6mil后,拉出2cm后又变回8mil。那么在2cm长6mil宽线条的两个端点处都邑发生反射,一次是阻抗变大年夜,发生正反射,接着阻抗变小,发生负反射。假如两次反射距离光阴足够短,两次反射就有可能互相抵消,从而减小影响。

假设传输旌旗灯号为1V,第一次正反射有0.2V被反射,1.2V继承向前传输,第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假设6mil线长度极短,两次反射险些同时发生,那么总的反射电压只有0.04V,小于5%这一噪声预算要求。是以,这种反射是否影响旌旗灯号,有多大年夜影响,和阻抗变更处的时延以及旌旗灯号上升光阴有关。

钻研及实验注解,只要阻抗变更处的时延小于旌旗灯号上升光阴的20%,反射旌旗灯号就不会造成问题。假如旌旗灯号上升光阴为1ns,那么阻抗变更处的时延小于0.2ns对应1.2英寸,反射就不会孕育发生问题。也便是说,对付本例环境,6mil宽走线的长度只要小于3cm就不会有问题。

当PCB走线线宽发生变更时,要根据实际环境仔细阐发,是否造成影响。必要关注的参数有三个:阻抗变更有多大年夜、旌旗灯号上升光阴是若干、线宽变更的颈状部分有多长。根据上面的措施大年夜致估算一下,适当留出必然的余量。假如可能的话,只管即便让减小颈状部分长度。

必要指出的是,实际的PCB加工中,参数弗成能像理论中那样正确,理论能对我们的设计供给指示,但不能照搬照抄、不能教条,终究这是一门实践的科学。估算出的值要根据实际环境做适当的修订,再利用到设计中。假如感到履历不够,那就先守旧点,然后在根据制造资源适当调剂.

四、旌旗灯号振铃是怎么孕育发生的

旌旗灯号的反射可能会引起振铃征象,一个范例的旌旗灯号振铃如图1所示。

图1

那么旌旗灯号振铃是怎么孕育发生的呢?

前面讲过,假如旌旗灯号传输历程中感想熏染到阻抗的变更,就会发生旌旗灯号的反射。这个旌旗灯号可能是驱动端发出的旌旗灯号,也可能是远端反射回来的反射旌旗灯号。根据反射系数的公式,当旌旗灯号感想熏染到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使旌旗灯号孕育发生下冲。

旌旗灯号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果便是旌旗灯号振铃。大年夜多半芯片的输出阻抗都很低,假如输出阻抗小于PCB走线的特点阻抗,那么在没有源端端接的环境下,一定孕育发生旌旗灯号振铃。

旌旗灯号振铃的历程可以用反弹图来直不雅的解释。假设驱动真个输出阻抗是10欧姆,PCB走线的特点阻抗为50欧姆(可以经由过程改变PCB走线宽度,PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调剂),为了阐发方便,假设远端开路,即远端阻抗无穷大年夜。驱动端传输3.3V电压旌旗灯号。我们随着旌旗灯号在这条传输线中跑一次,看看到底发生了什么?为阐发方便,轻忽传输线寄生电容和寄生电感的影响,只斟酌阻性负载。图2为反射示意图。

图2

第1次反射:旌旗灯号从芯片内部发出,颠末10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB特点阻抗的分压,实际加到PCB走线上的旌旗灯号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。传输到远端B点,因为B点开路,阻抗无穷大年夜,反射系数为1,即旌旗灯号整个反射,反射旌旗灯号也是2.75V。此时B点丈量电压是2.75+2.75=5.5V。

第2次反射:2.75V反射电压回到A点,阻抗由50欧姆变为10欧姆,发生负反射,A点反射电压为-1.83V,该电压到达B点,再次发生反射,反射电压-1.83V。此时B点丈量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。

第3次反射:从B点反射回的-1.83V电压到达A点,再次发生负反射,反射电压为1.22V。该电压到达B点再次发生正反射,反射电压1.22V。此时B点丈量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。

第4次反射:。。。。。。。。。第5次反射:。。。。。。。。。

如斯轮回,反射电压在A点和B点之间往返反弹,而引起B点电压不稳定。察看B点电压:5.5V->1.84V->4.28V->……,可见B点电压会有高低颠簸,这便是旌旗灯号振铃。

旌旗灯号振铃根滥觞基本因是负反射引起的,其祸首罪魁仍旧是阻抗变更,又是阻抗!在钻研旌旗灯号完备性问题时,必然不时留意阻抗问题。

负载端旌旗灯号振铃会严重滋扰旌旗灯号的吸收,孕育发生逻辑差错,必须减小或打消,是以对付长的传输线必须进行阻抗匹配端接。

五、旌旗灯号反射

旌旗灯号沿传输线向前传播时,不时候刻都邑感想熏染到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是半途或末尾其他元件的。对付旌旗灯号来说,它不会区分到底是什么,旌旗灯号所感想熏染到的只有阻抗。假如旌旗灯号感想熏染到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感想熏染到的阻抗发生变更,不论是什么引起的(可能是半途碰到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),旌旗灯号都邑发生反射。

那么有若干被反射回传输线的动身点?衡量旌旗灯号反射量的紧张指标是反射系数,表示反射电压和原传输旌旗灯号电压的比值。反射系数定义为:

此中:为变更前的阻抗,为变更后的阻抗。假设PCB线条的特点阻抗为50欧姆,传输历程中碰到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不斟酌寄生电容电感的影响,把电阻梗作抱负的纯电阻,那么反射系数为:

,旌旗灯号有1/3被反射回源端。假如传输旌旗灯号的电压是3.3V电压,反射电压便是1.1V。

纯电阻性负载的反射是钻研反射征象的根基,阻性负载的变更无非因此下四种环境:阻抗增添有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大年夜)、短路(阻抗忽然变为0)。

阻抗增添有限值:

反射电压上面的例子已经谋略过了。这时,旌旗灯号反射点处就会有两个电压因素,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V。

阻抗减小有限值:

仍按上面的例子,PCB线条的特点阻抗为50欧姆,假如碰到的电阻是30欧姆,则反射系数为ρ=(30-50)/(30+50)=-0.25,反射系数为负值,阐明反射电压为负电压,值3.3V*(-0.25V)=-0.825V,为此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475V。

开路:

开路相称于阻抗无穷大年夜,反射系数按公式谋略为1。即反射电压3.3V。反射点处电压为6.6V。可见,在这种极度环境下,反射点处电压翻倍了。

短路:

短路时阻抗为0,电压必然为0。按公式谋略反射系数为-1,阐明反射电压为-3.3V,是以反射点电压为0。

谋略异常简单,紧张的是必须知道,因为反射征象的存在,旌旗灯号传播路径中阻抗发生变更的点,其电压不再是原本传输的电压。这种反射电压会改变旌旗灯号的波形,从而可能会引起旌旗灯号完备性问题。这种感性的熟识对钻研旌旗灯号完备性及设计电路板异常紧张,必须在头脑中建立起这个观点。

滥觞;电子元件技巧网

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