PCB及高速電路設(shè)計(jì)XXXX1108課件

PCB及高速電路設(shè)計(jì)主講人：楊學(xué)友教授電磁兼容高速電路第九章PCB及高速電路設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容：電路板布局電路板布線高速電路基本元件等效模型高頻信號(hào)布線9.1電路板的布局目的：保證每個(gè)不同的功能塊互不干擾。主要電路模塊：數(shù)字部分（單片機(jī)及其他數(shù)字器件）；模擬部分（模擬信號(hào)采集及放大部分）；大功率部分（電機(jī)驅(qū)動(dòng)等大電流部分）。原則：功能相同部分盡量放在一起。功率放大數(shù)字電路模擬電路電源線地線電源入口優(yōu)點(diǎn)及改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：電路互相隔離，功率部分電流最大，靠近電源。小電流模塊在最末端，其它模塊不干擾。改進(jìn)：每個(gè)模塊都有獨(dú)立的電源和地線。隔離最徹底。9.2電路板的布線電源部分：這是電路中最重要的部分，一個(gè)穩(wěn)定的電源電路是這個(gè)電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。關(guān)于電源入口的處理：最好加上一個(gè)濾波電路。（包括高頻（開(kāi)關(guān)電源）和低頻（50hz工頻））案例8051單片機(jī)復(fù)位部分走線不好故障案例：某單板，需要控制較大功率繼電器，單片機(jī)控制繼電器時(shí)，很容易引起單片機(jī)復(fù)位。分析：51單片機(jī)低電平復(fù)位，電源線直接從電源部分引入，且此電源走線也簡(jiǎn)單引入繼電器控制端，當(dāng)繼電器控制時(shí)，需要較大電流，直接從復(fù)位電容中抽取電荷，復(fù)位有高電平變?yōu)榈碗娖?，從而引起單片機(jī)復(fù)位！修改：復(fù)位和繼電器走線分開(kāi)即可！幾種濾波電路Π型濾波電路：電容-電感-電容諧振原因及使用注意事項(xiàng)U0/Ui=(1/sC)/(sL+1/sC)=1/(LCs^2+1)S=jw=j2πf當(dāng)S^2=-4π*πf=LC時(shí)，U0/Ui無(wú)窮

大。注意事項(xiàng)：被濾波的電源電路中最好沒(méi)有和諧振點(diǎn)重合的頻率，否則需要在電感上并聯(lián)二極管或者并聯(lián)一個(gè)電阻消除諧振。其他一階低通濾波電路：包括電解電容、0.1u電容濾波。低通濾波：頻率響應(yīng)。電源線和地線的寬度原則：1A電流至少需要1mm寬的電源線。地線盡量寬，保證地電阻最小。

雙面板：top層元件，bottom層最好有一層較為完整的地

多層板：有一個(gè)或多個(gè)完整的地平面。

不推薦使用單面板，目前單面板和雙面板價(jià)格相差很小。去藕電容和旁路電容的概念去藕電容：藕表示2個(gè)對(duì)象的連接。去藕電容就是在2個(gè)相互連接對(duì)象之間所加的電容。比如集成塊電壓入口處所加的電容。旁路電容：一般來(lái)說(shuō)是濾去信號(hào)中某一些頻率分量所加的電容，這些頻率分量通過(guò)旁路電容導(dǎo)入到GND。旁路電容的來(lái)源旁路電容不是理論概念，而是一個(gè)經(jīng)常使用的實(shí)用方法，在50

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60年代，這個(gè)詞也就有它特有的含義，現(xiàn)在已不多用。電子管或者晶體管是需要偏置的，就是決定工作點(diǎn)的直流供電條件。例如電子管的柵極相對(duì)于陰極往往要求加有負(fù)壓，為了在一個(gè)直流電源下工作，就在陰極對(duì)地串接一個(gè)電阻，利用板流形成陰極的對(duì)地正電位，而柵極直流接地，這種偏置技術(shù)叫做“自偏”，但是對(duì)（交流）信號(hào)而言，這同時(shí)又是一個(gè)負(fù)反饋，為了消除這個(gè)影響，就在這個(gè)電阻上并聯(lián)一個(gè)足夠大的點(diǎn)容，這就叫旁路電容。去藕電容和旁路電容1）電源部分去藕電容：在進(jìn)入每個(gè)芯片時(shí)，一般在電源和地部分加上一個(gè)去藕電容。2個(gè)作用：

a）防止電源部分的干擾進(jìn)入芯片

b）防止芯片產(chǎn)生的干擾影響電源2）旁路電容：一般是為了去掉某種頻率分量。3）去藕電容和旁路電容的擺放位置。9.3高速電路基本元件等效模型1基本概念

1）高頻信號(hào)：當(dāng)信號(hào)頻率大于100M時(shí)或信號(hào)的上升沿時(shí)間1/(π*tr)>100Mhz，tr>3.185ns2）高速電路當(dāng)電路中的數(shù)字信號(hào)在傳輸線上的延遲大于1/2上升時(shí)間時(shí)，就叫做高速電路舉例：比如信號(hào)上升時(shí)間Tr=1ns，信號(hào)線長(zhǎng)度x，信號(hào)線上速率1.5*10^8m/s，1ns時(shí)間內(nèi)電磁波走了0.15m=15cm，所以信號(hào)線長(zhǎng)度大于7.5cm，則成為高速電路

高速電路中的RLC元件電阻的等效模型高速情況下，需要考慮其引腳的等效電感。直插電阻ESL大，一般封裝越大，ESL越大。高速時(shí)使用小封裝0402、0603等假設(shè)ESL=1nH，R=10ohmf=100MhzZL=2*π*f*ESL=0.628ohmf=1GHzZL=6.28ohm電感的等效模型考慮電感值即可，電感值越大，ZL越大，對(duì)高頻信號(hào)的阻擋作用越明顯。不考慮ESR，則電感在高頻電路中呈現(xiàn)純感性。ZL=2πfL電容的等效模型正常下，ESR很小，幾十毫歐姆級(jí)別，在LDO輸出電容設(shè)計(jì)時(shí)考慮。ESL主要是引腳等效電感。電解電容ESL大，并且和容值相關(guān)，容值越大，體積越大，ESL、ESR越大；陶瓷電容ESL、ESR較小?？紤]為什么高頻電路需要選用容值較小的陶瓷電容。L、C串聯(lián)：Z=1/sC+sL=(1+L*C*s^2)/sC極值為L(zhǎng)-1/Cs^2=0f0=1/2πsqrt(LC)等效阻抗在f0時(shí)最小，小電容LC小，所以高頻時(shí)用。考慮低通濾波器在f0處，濾波效果最好！高速線（傳輸線）的模型1）高速信號(hào)線：相對(duì)于參考（PCB中的地、電源）平面，被認(rèn)為是RLC的組合，RLC是單位長(zhǎng)度上的RLC量2）高速電路中的信號(hào)線需要考慮傳輸線效應(yīng)；也就是高頻信號(hào)（通常>100MHz）應(yīng)該考慮傳輸線3）傳輸線理論及模型：當(dāng)傳輸信號(hào)的信號(hào)線的長(zhǎng)度大于該信號(hào)波長(zhǎng)（工程上取波長(zhǎng)的1/20）時(shí)，此信號(hào)線就是傳輸線。傳輸線模型如下圖（R3是匹配電阻）：4）特征阻抗（匹配電阻）：信號(hào)線上某一點(diǎn)上瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流的比值，傳輸線模型的RLC是單位長(zhǎng)度上的度量。反映在PCB電路板就是TRACK的特性。只要分布參數(shù)恒定，特種阻抗固定。公式如下：

Z0=SQRT（L0/C0）5）信號(hào)線延遲：信號(hào)從源端經(jīng)過(guò)導(dǎo)體到達(dá)終端的時(shí)間。

T0=SQRT（L0*C0）

V=C/SQRT(E)c：光速E：電介率

T=S/VS:信號(hào)線長(zhǎng)度

經(jīng)驗(yàn)值：1ns，電磁波在PCB上走的距離為17cm

高速電路的影響信號(hào)完整性：信號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量SI過(guò)沖：包括上升沿過(guò)沖和下降沿過(guò)沖，過(guò)沖分析見(jiàn)RLC串聯(lián)電路分析（集總模型）。微波理論中使用反射解釋過(guò)沖。器件datasheet中有對(duì)輸入?yún)?shù)有要求！對(duì)于3.3V器件，經(jīng)常要求-0.3<Vin<VCC+0.3Vcc=3.3+/-0.3，如果Vin不在這個(gè)范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致器件損壞

續(xù)1）地彈：多個(gè)IO同時(shí)動(dòng)作，或單個(gè)IO大電流快速輸出；地回路如有電感存在，會(huì)導(dǎo)致地彈，影響地平面參考的穩(wěn)定性。（正常地平面Z=0）

V=Ldi/dt2）串?dāng)_串?dāng)_例子使用排線傳輸232信號(hào)，發(fā)送線和接收線緊鄰，當(dāng)發(fā)送據(jù)時(shí)，在接收線上有和發(fā)送數(shù)據(jù)相同的較大信號(hào)，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)相同。兩根長(zhǎng)距離緊鄰走線，線越長(zhǎng)，相互間的等效電容越大，則高速信號(hào)越容易通過(guò)。9.4高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)理論分析RLC串聯(lián)電路集總模型：將分布參數(shù)集中可以方便分析。RLC電路的階躍信號(hào)響應(yīng)：

1）欠阻尼：R太小(反射和振鈴)2）過(guò)阻尼：R太大（反射）

3）臨界：

R=sqrt（L/C）1.端接技術(shù)：短傳輸線：當(dāng)最小數(shù)字脈寬大于傳輸線的延遲，稱為短傳輸線；長(zhǎng)傳輸線反之。短傳輸線：使用源端匹配

長(zhǎng)傳輸線：使用終端匹配，比如CATV電纜輸入端一般接75ohm終端匹配信號(hào)線延遲的計(jì)算：如果要求信號(hào)上升沿的長(zhǎng)度不能大于2ns則由公式

v=C/sqrt(E),E=4.5左右，則v等于1.5x10^8m/s，2x1.5x0.1=30cm*對(duì)于百兆信號(hào)，小于1ns，則信號(hào)線長(zhǎng)度不能大于15cm，并且按照長(zhǎng)短傳輸線進(jìn)行相應(yīng)的端接匹配?，F(xiàn)代電路設(shè)計(jì)，PCB越來(lái)越小，所以板內(nèi)多采用源端匹配，對(duì)于50ohm高速電路，串接電阻多為33ohm左右2、仿真軟件：SI（信號(hào)完整性）仿真Hyperlynx進(jìn)行前仿真：確定信號(hào)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，端接方式；仿真后在PCB上進(jìn)行元件放置和布線進(jìn)行后仿真：根據(jù)PCB布線情況進(jìn)行仿真，確定走線、端接是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。Candence仿真軟件更牛，但不易使用3、時(shí)序計(jì)算PCI電路板時(shí)鐘線：一般是走蛇形線，是為了時(shí)鐘的延遲時(shí)間是個(gè)定值。高速電路對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格，根據(jù)布線可以確定信號(hào)的走線長(zhǎng)度。滿足下面兩個(gè)方程的要求4、高速電路串?dāng)_電流環(huán)（天線）理論：當(dāng)一個(gè)信號(hào)的電流回路比較大時(shí)，就形成天線，容易被其他信號(hào)干擾。（同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁通量較大）減小電流環(huán)面積：大面積鋪銅作為地，采用就近接地原則差分電路：2個(gè)差分線的距離為2W（W為信號(hào)線的寬度）正常電路：2條線的距離為3W，也就是書(shū)上常說(shuō)的“3W”原則差分線的放大器表示：樹(shù)立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識(shí)。7月-237月-23Monday,July17,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。04:57:3204:57:3204:577/17/20234:57:32AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2304:57:3204:57Jul-2317-Jul-23加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。04:57:3204:57:3204:57Monday,July17,2023安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。7月-237月-2304:57:3204:57:32July17,2023踏實(shí)肯干，努力奮斗。2023年7月17日4:57上午7月-237月-23追求至善憑技術(shù)開(kāi)拓市場(chǎng)，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹(shù)立形象。17七月20234:57:32上午04:57:327月-23嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。七月234:57上午7月-2304:57July17,2023作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2023/7/174:57:3204:57:3217July2023好的事情馬上就會(huì)到來(lái)，一切都是最好的安排。4:57:32上午4:57上午04:57:327月-23一馬當(dāng)先，全員舉績(jī)，梅開(kāi)二度，業(yè)績(jī)保底。7月-237月-2304:5704:57:3204:57:32Jul-23牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實(shí)。2023/7/174:57:32Monday,July17,2023相信相信得力量。7月-232023/7/174:57:327月-23謝謝大家！樹(shù)立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識(shí)。7月-237月-23Monday,July17,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。04:57:3204:57:3204:577/17/20234:57:32AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2304:57:3204:57Jul-2317-Jul-23加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。04:57:3204:57:3204:57Monday,July17,2023安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。7月-237月-2304:57:3204:57:32July17,2023踏實(shí)肯干，努力奮斗。2023年7月17日4:57上午7月-237月-23追求至善憑技術(shù)開(kāi)拓市場(chǎng)，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹(shù)立形象。17七月20234:57:32上午04:57:327月-23嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。七月234:57上午7月-2304:57July17,2023作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)