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高速PCB設(shè)計中如何保證信號完整性?

發(fā)布時間 :2024-07-04 17:02 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計部
在電子設(shè)備制造中,高速信號的處理成為PCB設(shè)計的關(guān)鍵。高速信號通常指頻率范圍從50 MHz到3 GHz的信號,例如時鐘信號。在實際應(yīng)用中,時鐘信號并非理想的方波,而是具有上升和下降時間的梯形波。這些高頻信號在傳輸過程中容易出現(xiàn)失真,影響系統(tǒng)的整體性能。因此,保證信號完整性在高速PCB設(shè)計中至關(guān)重要。
 
 高速PCB設(shè)計中如何保證信號完整性?
 
什么是高速信號?
高速信號通常指頻率范圍從50 MHz到3 GHz的信號,如時鐘信號。盡管理想情況下時鐘信號是方波,但實際中由于上升和下降時間的存在,時鐘信號在時域中呈現(xiàn)梯形波形,而在頻域中,其高頻諧波的幅度取決于上升和下降時間。
 
為什么高頻會出現(xiàn)信號失真?
在低頻(>1kHz)下,信號保持在數(shù)據(jù)特征限制范圍內(nèi)。當(dāng)速度增加時,高頻率的影響開始顯現(xiàn),導(dǎo)致振鈴、串?dāng)_、反射、接地反彈和阻抗不匹配問題。這些問題不僅影響系統(tǒng)的數(shù)字特征,還會影響模擬特征,進(jìn)而影響I/O接口和內(nèi)存接口的數(shù)據(jù)速率。通過PCB設(shè)計和有效的布局布線,可以避免這些問題。
 
保證高速PCB設(shè)計中信號完整性的7個措施
1. 阻抗控制
影響阻抗控制的三個因素是基板材料、走線寬度和走線距地/電源層的高度。高頻信號傳輸時,走線的電感和電容開始影響性能,過孔存根和走線缺陷導(dǎo)致的阻抗不匹配會引起信號失真。
 
常見的終端方案:
- 并聯(lián)終端方案:終端電阻(RT)等于線路阻抗,盡可能靠近負(fù)載放置。  
- 戴維南終端方案:將終端電阻分成兩個獨立電阻,減少總電流。
- 有源并聯(lián)終端:將終端電阻放置在偏置電壓的路徑上。
- 串聯(lián)-RC并聯(lián)終端:電阻和電容組合充當(dāng)終端阻抗。
- 串聯(lián)終端:匹配信號源端的阻抗,減少二次反射。
- 差分對端接:在接收端的信號之間需要一個終端電阻,必須匹配差分負(fù)載阻抗。
 
2. 防止傳輸損耗
- 介電吸收:高頻介質(zhì)中的信號使PCB介電材料吸收信號能量,降低信號強(qiáng)度。
- 集膚效應(yīng):高頻信號生成的波形在高頻時引發(fā)感抗增加,導(dǎo)致信號強(qiáng)度衰減。
 
3. 防止串?dāng)_
串?dāng)_是由于電流通過電線時在附近產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的信號能量交叉耦合。可以通過以下措施減少串?dāng)_:
- 走線間距:兩條走線的中心間距至少是走線寬度的3倍。
- 接地層的放置:在不同層之間放置固體接地層。
- 低介電常數(shù)材料:通過降低走線之間的互電容/雜散電容來減少串?dāng)_。
 
4. 避免直角走線和注意過孔位置
直角走線增加拐角區(qū)域的電容值,導(dǎo)致特性阻抗變化,引起反射。通過用兩個45°角代替直角彎曲可以減少反射。過孔位置也會影響信號完整性,應(yīng)盡量減少走線長度,避免不同走線中的過孔。
 
5. 不同走線
- 正交布線:在不同層上引導(dǎo)信號,最小化耦合區(qū)域。
- 短平行走線:減少信號之間的并行長度。
 
6. 避免接地反彈
數(shù)字電路需要快速開關(guān)時間,在“0”和“1”信號電平之間切換時會產(chǎn)生地彈,可以通過以下方法減少地彈:
- 引腳轉(zhuǎn)換率控制:減慢驅(qū)動器的速度,降低跳動率。
- 多電源和接地引腳:防止靠近接地引腳位置的開關(guān)效應(yīng)。
 
7. 降低EMI
電磁干擾(EMI)影響系統(tǒng)的EMI/EMC性能??梢酝ㄟ^以下措施減少EMI:
- 低電感元件:使用具體低ESR和有效串聯(lián)電感(ESL)的表面貼裝電容。
- 固體接地平面:在電源信號平面旁邊使用實心接地平面。
 
其他建議
- 確定最高頻率網(wǎng)絡(luò)并計算系統(tǒng)中最快上升時間。
- 檢查接收器和電源的輸入和輸出電氣規(guī)格。
- 考慮走線上受控阻抗值、端接和傳播延遲。
- 在帶線和帶狀線路由技術(shù)之間進(jìn)行選擇。
- 考慮不同電源電壓的數(shù)量。
- 為發(fā)射器路徑、接收器路徑、模擬信號、數(shù)字信號等功能創(chuàng)建圖表。
- 確定兩個獨立功能組之間的連接,考慮返回電流和其他走線的串?dāng)_。
- 考慮空間寬度間隙。
- 確定最小鉆孔和過孔要求,評估盲孔和埋孔的可行性。
 
通過這些措施,設(shè)計人員可以在高速PCB設(shè)計中有效保證信號完整性,提高系統(tǒng)性能和可靠性。


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