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入门必看 教你解决PCB传输线的效应问题

发布时间:2022-01-26 发布时间:
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PCB板在设计和制造的过程中,工程师不仅需要做到将基板上的元器件进行合理布局和设计,还需要保障PCB的走线信号完整性,而影响其信号完整性主要有反射、振铃、地弹和串扰等现象。这就需要设计人员解决PCB传输线的效应问题。本文将会就这一问题的产生原因和解决方法展开简单总结。

这里以最基础的PCB板为实际案例进行说明,一块基础的PCB板,其走线可等效为图1所示的串联和并联的电容、电阻和电感结构。这里我们假设串联电阻的典型值0.25Ω/ft—0.55Ω/ft,则并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的PCB连线中之后,连线上的最终阻抗称为特征阻抗Zo。


图1 PCB走线等效电路

在图1所展示的PCB走线等效电路结构中,如果基板上的传输线和接收端的阻抗不匹配,这样的设计就会引起信号的反射和振荡,影响信号传输。布线的几何形状、不正确的线端接,经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化,均会导致反射。而过冲和下冲是信号在电平上升沿和下降沿变化时产生的,会在瞬间产生高于或低于平稳电平的毛刺,容易损坏器件。信号的振铃和环绕振荡分别是由线上不恰当的电感和电容所应起的。振铃可以通过适当的端接予以减小。

在图1所展示的这一PCB走线等效电路中,一旦有大的电流涌动时则会迅速引起地弹,若有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过,芯片封装与电源平面间的寄生电感和电阻就会引发电源噪声。串扰是两条信号线之间的耦合问题,信号线之间的互感和互容导致了线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

要解决这些影响PCB信号传输完整性的问题,这就需要工程师采取的一些应对措施。电源层对电流方向不限制,返回线可沿着最小阻抗即与信号线最接近的路径走。这就可能使电流回路最小,而这将是高速系统首选的方法。但是电源层不排除线路杂波,不注意电源分布路径,所有系统均会产生噪声造成错误。因此需要特殊的滤波器,由旁路电容实现。一般一个1μF到10μF的电容放在板上电源输入端,而0.01μF至0.1μF的电容放在板上每个有源器件的电源、地的管脚之间。旁路电容的作用就像滤波器,大电容(10μF)放在电源输入端,滤除板外产生的低频(60Hz)噪声,板上有源器件产生的噪声在100MHz或更高的频率下会产生谐波,放在每个芯片之间的旁路电容通常比放在板上电源输入端的电容小得多。

依据目前的设计经验来看,如果设计中采用的是模数混合的思路,那么就需要将PCB分区为模拟和数字部分,模拟器件放在模拟部分,数字器件放在数字部分,A/D转换器跨区放置。模拟信号和数字信号在各自区内布线,保证数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地上。

在PCB基板上设置旁路和去耦也是一个很不错的方法,这样做能够防止能量从一个回路转移到另外一个回路,电源层、底线层、元器件和内部电源连接3个回路区域需要重视。尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,通常信号线宽为0.2~0.3mm,最细宽度可达0.05—0.07mm,电源线为1.2—2.5mm。用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用一层。为每个集成电路芯片配置一个0.01μF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时,可每4~10个芯片配置一个1~10μF钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在500kI-Iz~20MHz范围内阻抗小于1Ω,而且漏电流很小(0.5μF以下)。需要特别注意的是,去耦滤波电容器必须紧靠集成电路安装,力求最短的电容器引线和最小的瞬态电流回路面积,特别是高频旁路电容不能带引线。

最后需要特别说明的一点是,对于PCB系统工作在50MHz的情况,若产生传输线效应和信号的完整性问题,那么采取上文中所提到的几种传统措施可以达到比较满意的效果。而当系统时钟达到120MHz时,就需要考虑使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计的PCB将无法正常工作。


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