電容在高速PCB設(shè)計中的應(yīng)用

1、如何在 Allegro 中如何進行設(shè)計重用在現(xiàn)代設(shè)計中， 設(shè)計的系統(tǒng)復(fù)雜度越來越高， 速度也越來越高，產(chǎn)品的升級也越來越快，這 樣在每次的設(shè)計中從零開始的話，勢必會增加勞動成本和時間。 Allegro 就提供了多人合作 的功能和設(shè)計復(fù)用的能力。多人合作 PCB 的步驟1. 進行合理的整體布局2. 根據(jù)設(shè)計人員的情況進行分工，每人負責一個局部的 PCB 設(shè)計3. 每個人在復(fù)制的 PCB 布局上面完成自己的部分4. 每個人在完成自己的 PCB 局部設(shè)計后，開始導(dǎo)出自己的設(shè)計稱為一個 sub-drawing 。 File->Export->Sub-Drawing ；然后在 Find 中只

2、選中 Cline 和 Via ； 然后利用鼠標進行要復(fù)制區(qū)域的拖拉選中；最后要給這部分指定一個參考點，為 了準確期間，使用 “Pick x y 命”令；然后指定這個 Sub-Drawing 的名字 *.clp 存盤。5. 導(dǎo)入。 File->Import->Sub-Drawing ，選擇要導(dǎo)入的 clp 文件就可以了。定位的時候 一定要對準位置，最好用 “ x x y命'令。否則會出現(xiàn)連不上的情況。如何從 gerber 文件中復(fù)制部分線到 Allegro 中1、用 CAM350 打開要復(fù)制的 gerber 文件，刪除其它的線段，只留下要復(fù)制的線段2、File->Exp

3、ort->DXF3、在 Allegro 中， File-> Import->DXF ，導(dǎo)入 DXF 文件，注意導(dǎo)入的時候會根據(jù)文件中 的原點坐標自動對準，所以在 CAM350 中導(dǎo)出的時候要注意線段相對于原點的位置如何在 Allegro 中將 2D-Line 轉(zhuǎn)換為 ClineTools->Derive ConnectivityAllegro 如何設(shè)定線長限制1, 打 開 allegrosetup-electricalconstraintspreadsheet->net->routing->relativepropagation delay2, 鼠標右

4、鍵 system 下面的文件名 （brd 文件名） ->creat->match group->輸入一個自定義的 name （比如 PCI1）3, 鼠標右鍵 PCI1-membership->match group->選中所有需要長度設(shè)定的 net 到 members4, pin pairs 選 longest pin pair ， scope 選 global relative delay->delta:tolerance（mil）,在下面填入公差（比如0mil ： 100mil ）5, route 完成以后 actual 里面就會有 net 長度顯示，如

5、果全部綠色則滿足規(guī)則，所有的 net 相互之間的長度差別在 100mil 以內(nèi) 如果是紅色的， 則說明不滿足規(guī)則， 看正負分別表示長 或者短 ,調(diào)整至綠色 ok電容在高速PCB設(shè)計中的應(yīng)用探討高速PCB設(shè)計電容的應(yīng)用。電容是電路板上不可缺少的一個部分，并且起到了至關(guān)重要的作用，探討它具備至關(guān)重要的價值。您在設(shè)計中是否有這樣困惑：我要用什么樣的電容？ 需要多少這樣電容？要如何放置這樣的電容 ？帶著這些疑問我們走入我們的正題笫一部分、電容的分類電容在電路的設(shè)計中從應(yīng)用上進行分類，可以將電容分為四類：1. AC耦合電容。主要用于 GHz信號的交流耦合。2. 退耦電容。主要用于保持濾除高速電路板的電源

6、或地的噪聲。3. 有源或無源RC濾波或選頻網(wǎng)絡(luò)中用到的電容。4. 模擬積分器和采樣保持電路中用到的電容。嚇 tjte圖1電容器的四種應(yīng)用類型在本文中我們將主要討論第二大類退耦電容。電容從制造的材料和工藝進行分類，主要有以下不同形式的電容:1. NPO陶瓷電容器2. 聚苯乙烯陶器電容器3. 聚丙烯電容器4. 聚四氟乙烯電容器5. MOS電容器6. 聚碳酸酯電容器7. 聚脂電容器8. 單片陶瓷電容器9. 云母電容器10. 鋁電解電容器11. 鉭電解電容器在實際的設(shè)計中由于，價格、采購等各方面原因經(jīng)常用的電容有：陶瓷電容、鋁電解電容、 鉭電容。下面我們看看，各個電容的性能比較表：類型典型介質(zhì)吸收優(yōu)點

7、缺點NPO陶瓷電容 器吸收<0.1 %外型尺寸小、價格便宜、穩(wěn)定性好、電容值范 圍寬、銷售商多、電感低通常很低，但又無法限制到很小的數(shù)值(10nF)聚苯乙烯陶器電容器0.001 % 0.02 %價格便宜、DA很低、電容值范圍寬、穩(wěn)定性好溫度高于85 C,電容器受到損害、外形 尺寸大、電感高聚丙烯電容器0.001 % 0.02 %價格便宜、DA很低、電容值范圍寬溫度高于+105 C,電容器受到損害、外 形尺寸大電感高聚四氟乙烯電容器0.003 %0.02 %DA很低、穩(wěn)定性好、可在 +125 C以上溫度工 作、電容值范圍寬價格相當貴.外形尺寸大、電感高MOS電容器0.01 %DA性能好，尺

8、寸小，可在 +250 'C以上溫度工 作，電感低限制供應(yīng)、只提供小電容值聚碳酸酯電容 器0.1 %穩(wěn)定性好、價格低、溫度范圍寬外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感 高聚脂電容器0.3 %0.5 %穩(wěn)定性中等、價格低。溫度范圍寬、電感低外形尺寸大、DA限制到8位應(yīng)用、電感 高單片陶瓷電容器>0.2 %電感低、電容值范圍寬穩(wěn)定性差。DA性能差、電壓系數(shù)高云母電容器>0.003 %高頻損耗低、電感低、穩(wěn)定性好、效率優(yōu)于1%外形尺寸很大、電容值低(< 10nF)、價格 貴鋁電解電容器很高電容值高、電流大、電壓高、尺寸小泄漏大、通常有極性、穩(wěn)定性差、精度低、 電感性。鉭電解電容

9、器很高尺寸小、電容值大、電感適中泄漏很大、通常有極性、價格貴、穩(wěn)定性 差、精度差講這么多的電容的分類。 我們將把重點放在用于退耦作用的電容身上，我們下面將做重點 的闡述。第二部分、電容的具體模型和分布參數(shù)要正確合理的應(yīng)用電容，自然需要認識電容的具體模型以及模型中各個分布參數(shù)的具體意義和作用。和其他的元器件一樣，實際中的電容與”理想”電容器不同，”實際”電容器由于其封裝、材料等方面的影響，其就具各有電感、電阻的一個附加特性，必須用附加的”寄生"元件或"非理想"性能來表征，其表現(xiàn)形式為電阻元件和電感元件，非線性和介電存儲性能。”實際”電容器模型如下圖所示。由于這些寄生

10、元件決定的電容器的特性，通常在電容器生產(chǎn) 廠家的產(chǎn)品說明中都有詳細說明。在每項應(yīng)用中了解這些寄生作用，將有助于你選擇合適類型的電容器。從上面的圖我們可以看出，電容實際上應(yīng)該由六個部分組成。除了自己的電容C夕卜，還有以下部分組成：1、等效串聯(lián)電阻 ESR RESR :電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當有大的交流電流通過電容器，RESR使電容器消耗能量（從而產(chǎn)生損耗）。這對射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會造成嚴重后果。但 對精密高阻抗、小信號模擬電路不會有太大的影響。RESR最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器。2、等效串聯(lián)電感 ESL ,

11、 LESL :電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。像RESR 一樣，LESL在射頻或高頻工作環(huán)境下也會出現(xiàn)嚴重問題，雖然精密電路本身在直流或低頻條件下正常工作。其原因是用于精密模擬電路中的晶體管在過渡頻率（Tra nsition freque ncies）擴展到幾百兆赫或幾吉赫的情況下，仍具有增益, 可以放大電感值很低的諧振信號這就是在高頻情況下對這種電路的電源端要進行適當去耦的主要原因。3、等效并聯(lián)電阻 EPR RL :就是我們通常所說的電容器泄漏電阻，在交流耦合應(yīng)用、存儲應(yīng)用（例如模擬積分器和采樣保持器）以及當電容器用于高阻抗電路時，RL是一項重要

12、參數(shù)，理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的RL使電荷以RC、時間常數(shù)決定的速率緩慢泄漏。4、還是兩個參數(shù) RDA、CDA也是電容的分布參數(shù)，但在實際的應(yīng)該中影響比較小，這 里就不介紹了。所以電容重要分布參數(shù)的有三個： ESR、ESL、EPR。其中最重要的是 ESR、ESL，實 際在分析電容模型的時候一般只用 RLC簡化模型，即分析電容的 C、ESR、ESL，這我們 將在下面做重點分析電容的簡化模型。下面我們在介紹詳細模型的基礎(chǔ)上，談?wù)勎覀冊O(shè)計中經(jīng)常用到兩種電容：電解電容器（比如鉭電容器和鋁電解電容器）的容量很大，由于其隔離電阻低，就是等效并聯(lián)電阻EPR很小，所以漏電流非常

13、大（典型值520nA /uF），因此它不適合用于存儲和 耦合。電解電容比較適合用于電源的旁路電容，用于穩(wěn)定電源的供電。 最適合用于交流耦合及電荷存儲的電容器是聚四氟乙烯電容器和其它聚脂型（聚丙烯、聚苯乙烯等）電容器。單片陶瓷電容器，比較適合用于高頻電路的退耦電容，因為它們具有很低的等效串聯(lián)電感，就是等效串聯(lián)電感 ESL很小，具備有很廣的退耦頻段。這和他的結(jié)構(gòu)構(gòu)成有很大的關(guān)系單 片陶瓷電容器是由多層夾層金屬薄膜和陶瓷薄膜構(gòu)成的，而且這些多層薄膜是按照母線平行方式排布的，而不是按照串行方式卷繞的。我們談了電容的詳細的等效模型，相信大家現(xiàn)在對電容應(yīng)該有比較深的認識了，下面我們將繼續(xù)談實際分析應(yīng)用中要

14、經(jīng)常用到的電容的簡化等效模型，和他阻抗曲線的由來和意義。第三部分、電容的簡化模型和阻抗曲線ESR、串聯(lián)等效電感 ESL、ESR和ESL，我們通常采為了分析方便，在實際的分析應(yīng)該中經(jīng)常使用由串聯(lián)等效電阻 電容組成的RLC模型。因為對電容的高頻特性影響最大的則是 用下圖中簡化的實際模型進行分析：上式就是電容的容抗隨頻率變化的表達式，如果上面組成的RLC模型的阻抗如果用數(shù)學(xué)公式可以表示如下:Z=Rs+j 3 Ls-j/ 3 C=Rs+j( 3 LSI/ 3 C)式中 w =2 n f) 那么它的模的表達式如下：2n fLs=1/2 n fC 那么 |Z|min=Rs,此時:畫出電容的容抗的曲線的圖如

15、下:從上圖，我們很清楚的看出：電容在整個頻段，并非都是表現(xiàn)為電容的特性，而是在低頻的 情況（諧振頻率以下），表現(xiàn)為電容性的器件，而當頻率增加（超過諧振頻率）的時候，它 漸漸的表現(xiàn)為電感性的器件，也就是說它的阻抗隨著頻率的增加先減小后增大，等效阻抗的最小值發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率時，這時候，電容的容抗和感抗正好抵消，表現(xiàn)為阻抗大小恰好等于寄生串聯(lián)電阻 ESR 。了解了上面的曲線，應(yīng)該就不難理解在實際的應(yīng)用中，我們選擇電容的標準是：1. 盡可能低的 ESR 電容。2. 盡可能高的電容的諧振頻率值。高速 PCB 設(shè)計的疊層問題隨著高速電路的不斷涌現(xiàn)， PCB 板的復(fù)雜度也越來越高，為了避免電氣因素的干擾，

16、信號 層和電源層必須分離，所以就牽涉到多層 PCB 的設(shè)計。在多層板的設(shè)計中，對于疊層的安 排顯得尤為重要。一個好的疊層設(shè)計方案將會大大減小 EMI 及串擾的影響，在下面的討論 中，我們將具體分析疊層設(shè)計如何影響高速電路的電氣性能。一多層板和鋪銅層 （Plane）多層板在設(shè)計中和普通的 PCB 板相比， 除了添加了必要的信號走線層之外， 最重要的是 安排了獨立的電源和地層 （鋪銅層 ）。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，使用電源和地層來代替以前的 電源和地總線的優(yōu)點主要在于：1. 為數(shù)字信號的變換提供一個穩(wěn)定的參考電壓。2. 均勻地將電源同時加在每個邏輯器件上3. 有效地抑制信號之間的串擾原因在于，使用大

17、面積鋪銅作為電源和地層大大減小了電源和地的電阻，使得電源層上 的電壓很均勻平穩(wěn)， 而且可以保證每根信號線都有很近的地平面相對應(yīng)， 這同時減小了信號 線的特征阻抗， 對有效地較少串擾也非常有利。所以，對于某些高端的高速電路設(shè)計， 已經(jīng) 明確規(guī)定一定要使用 6 層 （或以上的 ）的疊層方案，如 Intel 對 PC133 內(nèi)存模塊 PCB 板的要 求。這主要就是考慮到多層板在電氣特性， 以及對電磁輻射的抑制， 甚至在抵抗物理機械損 傷的能力上都明顯優(yōu)于低層數(shù)的 PCB 板。如果從成本的因素考慮， 也并不是層數(shù)越多價格越貴， 因為 PCB 板的成本除了和層數(shù)有 關(guān)外， 還和單位面積走線的密度有關(guān)，在

18、降低了層數(shù)后，走線的空間必然減小，從而增大了走線的密度， 甚至不得不通過減小線寬， 縮短間距來達到設(shè)計要求， 往往這些造成的成本增 加反而有可能會超過減少疊層而降低的成本， 再加上電氣性能的變差， 這種做法經(jīng)常會適得 其反。所以對于設(shè)計者來說，一定要做到全方面的考慮。二高頻下地平面層對信號的影響如果我們將 PCB 的微帶布線作為一個傳輸線模型來看， 那么地平面層也可以看成是傳輸 線的一部分，這里可以用 “回路 ”的概念來代替 “地 ”的概念，地鋪銅層其實是信號線的回流通 路。電源層和地層通過大量的去耦電容相連， 在交流情況下， 電源層和地層可以看成是等價 的。在低頻和高頻下電流回路有什么不同呢

19、? 從下圖中我們可以看出來，在低頻下，電流是沿電阻最小的路徑流回， 而在高頻情況下， 電流是沿著電感最小的回路流回， 也是阻抗最小 的路徑，表現(xiàn)為回路電流集中分布在信號走線的正下方。高頻下，當一條導(dǎo)線直接在接地層上布置時，即使存在更短的回路，回路電流也要直接 從始發(fā)信號路徑下的布線層流回信號源，這條路徑具有最小阻抗，即電感最小和電容最大。 這種靠大電容耦合抑制電場，靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。下面這個公式反映了信號線下方回流路徑上的電流密度隨各種條件而變化的規(guī)律：1）是D點的電徹芾傳輸?shù)h面圄流密度從公式中可以得出結(jié)論：在電流回路上，離信號線越近的位置，電流的密度越大，這種 情況下整個回路的面積最小，因而電感也最小。同時可以想象，信號線和回路如果離的很近， 兩者電流大小近似相等，方向相反，在外部空間產(chǎn)生的磁場可以相互抵消，因此對外界的 EMI也很小。所以，在疊層設(shè)置時最好保證每個信號走線層都有很近的地平面