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完整资料:PCB设计之信号完整性,从走线、信号反射到特性阻抗

2018年03月09日 18:29 次阅读

信号完整性(一):PCB走线中途容性负载反射

很多时候,PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,必然对信号造成影响。走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析,对起点和终点都有影响。

首先按看一下对信号发射端的影响。当一个快速上升的阶跃信号到达电容时,电容快速充电,充电电流和信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,充电电流越大,信号上升时间越快,dt越小,同样使充电电流越大。

我们知道,信号的反射与信号感受到的阻抗变化有关,因此为了分析,我们看一下,电容引起的阻抗变化。在电容开始充电的初期,阻抗表示为:

这里dV实际上是阶跃信号电压变化,dt为信号上升时间,电容阻抗公式变为:

从这个公式中,我们可以得到一个很重要的信息,当阶跃信号施加到电容两端的初期,电容的阻抗与信号上升时间和本身的电容量有关。

通常在电容充电初期,阻抗很小,小于走线的特性阻抗。信号在电容处发生负反射,这个负电压信号和原信号叠加,使得发射端的信号产生下冲,引起发射端信号的非单调性。

对于接收端,信号到达接收端后,发生正反射,反射回来的信号到达电容位置,那个样发生负反射,反射回接收端的负反射电压同样使接收端信号产生下冲。

为了使反射噪声小于电压摆幅的5%(这种情况对信号影响可以容忍),阻抗变化必须小于10%。那么电容阻抗应该控制在多少?电容的阻抗表现为一个并联阻抗,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。对于这种并联阻抗,我们希望电容阻抗越大越好。假设电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k倍,根据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为:阻抗变化率为:,即,也就是说,根据这种理想的计算,电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。实际上,随着电容的充电,电容的阻抗不断增加,并不是一直保持最低阻抗,另外,每一个器件还会有寄生电感,使阻抗增加。因此这个9倍限制可以放宽。在下边的讨论中假设这个限制是5倍。

有了阻抗的指标,我们就可以确定能容忍多大的电容量。电路板上50欧姆特性阻抗很常见,我就用50欧姆来计算。
得出:

即在这种情况下,如果信号上升时间为1ns,那么电容量要小于4皮法。反之,如果电容量为4皮法,则信号上升时间最快为1ns,如果信号上升时间为0.5ns,这个4皮法的电容就会产生问题。

这里的计算只不过是为了说明电容的影响,实际电路中情况十分复杂,需要考虑的因素更多,因此这里计算是否精确没有实际意义。关键是要通过这种计算理解电容是如何影响信号的。我们对电路板上每一个因素的影响都有一个感性认识后,就能为设计提供必要的指导,出现问题就知道如何去分析。精确的评估需要用软件来仿真。

总结:

1、PCB走线中途容性负载使发射端信号产生下冲,接收端信号也会产生下冲。

2、能容忍的电容量和信号上升时间有关,信号上升时间越快,能容忍的电容量越小。

信号完整性(二):接收端容性负载的反射

信号的接收端可能是集成芯片的一个引脚,也可能是其他元器件。不论接收端是什么,实际的器件的输入端必然存在寄生电容,接受信号的芯片引脚和相邻引脚之间有一定的寄生电容,和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容,另外引脚和信号返回路径之间也会存在寄生电容。

好复杂,这么多寄生电容!其实很简单,想想电容是什么?两个金属板,中间是某种绝缘介质。这个定义中并没有说两个金属板是什么形状的,芯片两个相邻引脚也可以看做是电容的两个金属板,中间介质是空气,不就是一个电容么。芯片引脚和PCB板内层的电源或地平面也是一对金属板,中间介质是PCB板的板材,常见的是FR4材料,也是一个电容。呵呵,搞来搞去,还是回到了最基础的部分。高手不要笑,太简单了。不过确实很多人看到寄生电容就感到有点晕,理解不透,所以在这里啰嗦一下。

回到正题,下面研究一下信号终端的电容有什么影响。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。

PCB设计之信号完整性,从走线、信号反射到特性阻抗都有文章!

我们考察B点电容的阻抗情况。电容的电流为:

随着电容的充电,电压变化率逐渐减小(电路原理中的瞬态过程),电容的充电电流也不断减小。即电容的充电电流是随时间变化的。

电容的阻抗为:

因此电容所表现出来的阻抗随时间变化,不是恒定的。正是这种阻抗的变化特性决定了电容对信号影响的特殊性。如果信号上升时间小于电容的充电时间,最初电容两端的电压迅速上升,这时阻抗很小。随着电容充电,电压变化率下降,充电电流减小,表现为阻抗明显增大。充电时间无穷大时,电容相当于开路,阻抗无穷大。

阻抗的变化必然影响信号的反射。在充电的开始一段时间,阻抗很小,小于传输线的特性阻抗,将发生负反射,反射回源端A点的信号将产生下冲。随着电容阻抗的增加,反射逐渐过渡到正反射,A点的信号经过一个下冲会逐渐升高,最终达到开路电压。

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电路设计宝典:轻松开启PCB设计之门

电池充电器电路的PCB设计

Ni-MH电池充电器是我们生活中常见的一种电子产品。借助Protel 2004设计该电路的印制电路板...

发表于 2014-07-24 14:32 535次阅读
电池充电器电路的PCB设计

DDR3内存的PCB仿真与设计

本文主要使用了Cadence公司的时域分析工具对DDR3设计进行量化分析,介绍了影响信号完整性的主要...

发表于 2014-07-24 11:11 1427次阅读
DDR3内存的PCB仿真与设计

PCB设计的径向网格?谁这么有才!

PCB设计工具可以允许对象——像LED或其它元器件——以径向的方式被放置吗?PCB设计人员数十年一直...

发表于 2014-05-22 13:46 1557次阅读
PCB设计的径向网格?谁这么有才!

电子设计发展趋势 — 开源PCB设计

电子设计领域的一大趋势是开源硬件及其配套的开源原理图和PCB布局图的使用。使用开源硬件及其配套资源意...

发表于 2014-04-03 14:23 1505次阅读
电子设计发展趋势 — 开源PCB设计

RF与数模电路的PCB设计之魅

  手持无线通信设备和遥控设备的普及推动着对模拟、数字和RF混合设计需求的显著增长。手持设备、基站、...

发表于 2013-06-21 14:59 926次阅读
RF与数模电路的PCB设计之魅

工程师设计小Tips:PCB设计接地问题精要

在电子系统设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性的要求,避免在设计完成后再去进行抗...

发表于 2013-06-17 11:17 1169次阅读
工程师设计小Tips:PCB设计接地问题精要

如何利用EMIStream来解决板级EMI问题

在PCB电路板中,电磁能的存在有两种形式,即差模EMI和共模EMI。当器件输出的电流流入一个负载时,...

发表于 2013-03-04 16:53 3207次阅读
如何利用EMIStream来解决板级EMI问题

Altium推出Altium Designer ...

智能系统设计自动化的全球领导者及3D PCB 设计(Altium Designer)和嵌入软件开发(...

发表于 2013-02-26 11:51 6687次阅读
Altium推出Altium Designer ...

Cadence通过高效协作ECAD环境加速产品创...

电子发烧友网核心提示 :Cadence Allegro通过使用Microsoft SharePoin...

发表于 2012-10-11 10:18 400次阅读
Cadence通过高效协作ECAD环境加速产品创...

e络盟在亚太区推出CadSoft EAGLE P...

e络盟(element14)旗下子公司CadSoft Computer GmbH日前宣布在亚太区推...

发表于 2012-09-07 11:29 346次阅读
e络盟在亚太区推出CadSoft EAGLE P...

优化PCB布局可提升转换器性能

对于开关模式转换器而言,出色的印制电路板(PCB)布局对获得最佳系统性能至关重要。若PCB设计不当,...

发表于 2012-07-31 16:34 736次阅读
优化PCB布局可提升转换器性能

LED驱动电源PCB设计技巧及规范

  在任何电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,其设计方法决定了电磁干扰和电源稳定,我们来...

发表于 2012-07-17 10:05 601次阅读
LED驱动电源PCB设计技巧及规范

软件仿真可提高PCB设计效率的方法

随着电路板设计变得越来越复杂,电磁兼容规范发展得愈来越严格,在设计阶段的初期就寻求解决办法是很有必要...

发表于 2012-07-09 14:03 322次阅读
软件仿真可提高PCB设计效率的方法

高速PCB设计的6个关键要素

在北京举行的Mentor 2012中国PCB设计技术研讨会上,该公司业务开发经理David Wien...

发表于 2012-07-02 11:30 365次阅读
高速PCB设计的6个关键要素

锂电池–手机pcb设计必须认识的零件

电源在pcb layout里面占有相当的地位,一个pcb设计的好坏跟电源的布局,布线有不可分割的关系...

发表于 2012-06-26 17:10 667次阅读
锂电池–手机pcb设计必须认识的零件

PCB设计中应注意的方向问题

pcb layout中电阻,二极管的放置方向,pcb设计分为平放与竖放两种

发表于 2012-06-26 16:23 278次阅读
PCB设计中应注意的方向问题

Allegro SI在高速PCB设计中的应用

在Allegro SI的参数设置环境中你可以针对不同pcb设计要求规定不同的约束条件。这些不同的约束...

发表于 2012-06-26 15:26 1464次阅读
Allegro SI在高速PCB设计中的应用

pcb设计逻辑芯片功能测试

pcb设计逻辑芯片功能测试用于保证被测器件能够正确完成其预期的功能。为了达到这个目的,必须先创建测试...

发表于 2012-06-26 15:16 687次阅读
pcb设计逻辑芯片功能测试

备受工程师关注PCB设计精华文章Top10

电子发烧友网讯:PCB设计是每个电子工程师必须要经过的电子职业生涯轨迹和必备本领。怎样去设计出一个兼...

发表于 2012-06-26 14:10 3386次阅读
备受工程师关注PCB设计精华文章Top10

如何提高PCB设计能力

无论是高精度模拟系统或低频(<50MHz)数字系统,还是高速pcb设计,以下因素不能忽略,首先电源对...

发表于 2012-06-25 14:15 1940次阅读
如何提高PCB设计能力