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PCB布线怎么才不会影响到信号的波形

GReq_mcu168 来源:加油射频工程师 作者:加油射频工程师 2022-06-14 10:17 次阅读

在高速数字信号中,PCB布线的目的,就是保证接收端能够正确接收到发射端的信号。正确体现在两个方面:

(1)如果设计到时钟的话,需要保证时序的正确性;

(2)波形幅度需要符合要求,因为数字信号一般对大于VIH的电平判别为高,低于VIL的电平判别为地。所以,当幅度处于VIL~VIH之间的话,则无法判断。

总之,我们希望PCB布线不会影响到信号的波形。

微带线失配,会产生反射,导致波形失真,如下图所示。蓝线为负载端输出信号,红线为源输出信号。接收端信号产生振铃。

以下例子是比较合理的假设,因为一般CMOS的输出阻抗为10~30ohm,而CMOS的输入一般呈容性,容值为5~15pF。

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微带线终端负载对信号波形的影响

终端负载为开路

如下图所示,可以看到,当负载为开路时,其接收端的信号,会先产生振铃,然后再稳定在5V。而在振铃处,最高电压能到11V,最低值在1V左右,高压可能导致芯片的损坏,低压可能导致芯片的误判。

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这些振铃的产生,是因为信号在负载端和源端不断地来回反射,叠加产生的。所以,Γs和ΓL的符号的不同,还会影响叠加信号的波形。

ab3c03f0-eb77-11ec-ba43-dac502259ad0.png

终端负载为容性负载

假设源端做了串联匹配。源端信号为0上升时间的理想阶跃信号,电容在刚开始时,看上去为短路,然后缓慢地变成开路。电容会引入额外的时延。

ab514648-eb77-11ec-ba43-dac502259ad0.png

匹配策略

反射会引起信号失真,而源端和终端的失配会引起反射。那想缓解信号的失真,有效的手段,就是进行匹配。

串联匹配

一般来说,典型的CMOS的输出阻抗都小于PCB的特征阻抗,所以可以在PCB线上加一个电阻,使得Rs+R=Zc,这样,在源端没有反射。

这种匹配方式,即为串联匹配。

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在串联匹配的情况下,源端输出到微带线的电压为V0/2,而终端负载一般为开路或者类似开路,所以负载反射系数为1,因此在负载处的电压为V0/2+V0/2=V0,信号完整性很好。

而且,对于开路负载,没有电流流入该电阻,所以不额外耗散功率。

并联匹配

并联匹配,即在负载端并联一电阻R,使得负载阻抗为Zc。

ab7a8972-eb77-11ec-ba43-dac502259ad0.png

并联匹配下,接收到的电压会比发射端的电压小,因为并联匹配时,没有负载反射来提高输入波形的电压。而且,即使对于开路负载,并联电阻上也会有电流,因此匹配负载会消耗功率。

那什么时候,可以不care微带线的长度,而且不需要做匹配呢?

假设脉冲信号的上升时间为τr,则该脉冲对应的主要频谱带宽为

abead3e4-eb77-11ec-ba43-dac502259ad0.png

想要微带线的尺寸可以忽略,则需要其长度小于传输信号最大频率时对应波长的十分之一。

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所以,当微带线的长度和传输信号的上升沿时间有如下关系时,微带线上的任意失配基本不会造成信号的失真。

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参考文献:

CLAYTON R. PAUL Introduction to electromagnetic compatibility

审核编辑 :李倩

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原文标题:高速数字信号的匹配问题

文章出处:【微信号:mcu168,微信公众号:硬件攻城狮】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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