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高频高速PCB设计之实用大全(1)

作者:南非太阳城 来源:本站原创 日期:2021-02-08 17:25 点击: 

  选择PCB 板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。设计需求包含电气和机构这两部分。通常在设计非常高速的 PCB 板子(大于 GHz 的频率)时这材质问题会比较重要。例如,现在常用的 FR-4 材质,在几个GHz 的频率时的介质损耗(dielectric loss)会对信号衰减有很大的影响,可能就不合用。就电气而言,要注意介电常数(dielectric constant)和介质损在所设计的频率是否合用。

  避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰,也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离,或加 ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。

  信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构和输出阻抗(output impedance),走线的特性阻抗,负载端的特性,走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式是靠端接(termination)与调整走线、差分布线方式是如何实现的?

  差分对的布线有两点要注意,一是两条线的长度要尽量一样长,另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变,也就是要保持平行。平行的方式有两种,一为两条线走在同一走线层(side-by-side),一为两条线走在上下相邻两层(over-under)。一般以前者 side-by-side(并排, 并肩) 实现的方式较多。

  要用差分布线一定是信号源和接收端也都是差分信号才有意义。所以对只有一个输出端的时钟信号是无法使用差分布线、接收端差分线对之间可否加一匹配电阻?

  接收端差分线对间的匹配电阻通常会加, 其值应等于差分阻抗的值。这样信号质量会好些。

  对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平行。所谓适当的靠近是因为这间距会影响到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是设计差分对的重要参数。需要平行也是因为要保持差分阻抗的一致性。若两线忽远忽近, 差分阻抗就会不一致, 就会影响信号完整性(signal integrity)及时间延迟(timing delay)。

  基本上, 将模/数地分割隔离是对的。 要注意的是信号走线尽量不要跨过有分割的地方(moat), 还有不要让电源和信号的回流电流路径(returning current path)变太大。

  晶振是模拟的正反馈振荡电路, 要有稳定的振荡信号, 必须满足loop gain 与 phase 的规范, 而这模拟信号的振荡规范很容易受到干扰, 即使加 ground guard traces 可能也无法完全隔离干扰。而且离的太远,地平面上的噪声也会影响正反馈振荡电路。 所以, 一定要将晶振和芯片的距离进可能靠近。确实高速布线与 EMI 的要求有很多冲突。但基本原则是因 EMI 所加的电阻电容或 ferrite bead, 不能造成信号的一些电气特性不符合规范。 所以, 最好先用安排走线和 PCB 迭层的技巧来解决或减少 EMI的问题, 如高速信号走内层。最后才用电阻电容或 ferrite bead 的方式, 以降低对信号的伤害。

  现在较强的布线软件的自动布线器大部分都有设定约束条件来控制绕线方式及过孔数目。各家EDA公司的绕线引擎能力和约束条件的设定项目有时相差甚远。 例如, 是否有足够的约束条件控制蛇行线(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分对的走线间距等。 这会影响到自动布线出来的走线方式是否能符合设计者的想法。 另外, 手动调整布线的难易也与绕线引擎的能力有绝对的关系。 例如, 走线的推挤能力,过孔的推挤能力, 甚至走线对敷铜的推挤能力等等。 所以, 选择一个绕线引擎能力强的布线器, 才是解决之道。

  test coupon 是用来以 TDR (Time Domain Reflectometer) 测量所生产的 PCB 板的特性阻抗是否满足设计需求。 一般要控制的阻抗有单根线和差分对两种情况。 所以, test coupon 上的走线线宽和线距(有差分对时)要与所要控制的线一样。 最重要的是测量时接地点的位置。 为了减少接地引线(ground lead)的电感值, TDR 探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信号的地方(probe tip), 所以, test coupon 上量测信号的点跟接地点的距离和方式要符合所用的探棒。

  11、在高速 PCB 设计中,信号层的空白区域可以敷铜,而多个信号层的敷铜在接地和接电源上应如何分配?

  一般在空白区域的敷铜绝大部分情况是接地。 只是在高速信号线旁敷铜时要注意敷铜与信号线的距离, 因为所敷的铜会降低一点走线的特性阻抗。也要注意不要影响到它层的特性阻抗, 例如在 dual strip line 的结构时。

  12、是否可以把电源平面上面的信号线使用微带线模型计算特性阻抗?电源和地平面之间的信号是否可以使用带状线模型计算?

  是的, 在计算特性阻抗时电源平面跟地平面都必须视为参考平面。 例如四层板: 顶层-电源层-地层-底层,这时顶层走线特性阻抗的模型是以电源平面为参考平面的微带线、在高密度印制板上通过软件自动产生测试点一般情况下能满足大批量生产的测试要求吗?

  一般软件自动产生测试点是否满足测试需求必须看对加测试点的规范是否符合测试机具的要求。另外,如果走线太密且加测试点的规范比较严,则有可能没办法自动对每段线都加上测试点,当然,需要手动补齐所要测试的地方。

  至于会不会影响信号质量就要看加测试点的方式和信号到底多快而定。基本上外加的测试点(不用在线既有的穿孔(via or DIP pin)当测试点)可能加在在线或是从在线拉一小段线出来。前者相当于是加上一个很小的电容在在线,后者则是多了一段分支。这两个情况都会对高速信号多多少少会有点影响,影响的程度就跟信号的频率速度和信号缘变化率(edge rate)有关。影响大小可透过仿真得知。原则上测试点越小越好(当然还要满足测试机具的要求)分支越短越好。

  各个 PCB 板子相互连接之间的信号或电源在动作时,例如 A 板子有电源或信号送到 B 板子,一定会有等量的电流从地层流回到 A 板子 (此为 Kirchoff current law)。这地层上的电流会找阻抗最小的地方流回去。所以,在各个不管是电源或信号相互连接的接口处,分配给地层的管脚数不能太少,以降低阻抗,这样可以降低地层上的噪声。另外,也可以分析整个电流环路,尤其是电流较大的部分,调整地层或地线的接法,来控制电流的走法(例如,在某处制造低阻抗,让大部分的电流从这个地方走),降低对其它较敏感信号的影响。

  现在高速数字电路的应用有通信网路和计算器等相关领域。在通信网路方面,PCB 板的工作频率已达 GHz 上下,叠层数就我所知有到 40 层之多。计算器相关应用也因为芯片的进步,无论是一般的 PC 或服务器(Server),板子上的最高工作频率也已经达到 400MHz (如 Rambus) 以上。因应这高速高密度走线需求,盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及 build-up 制程工艺的需求也渐渐越来越多。 这些设计需求都有厂商可大量生产。

  19、刚柔板设计是否需要专用设计软件与规范?国内何处可以承接该类电路板加工?

  可以用一般设计 PCB 的软件来设计柔性电路板(Flexible Printed Circuit)。一样用 Gerber 格式给 FPC厂商生产。由于制造的工艺和一般 PCB 不同,各个厂商会依据他们的制造能力会对最小线宽、最小线距、最小孔径(via)有其**。除此之外,可在柔性电路板的转折处铺些铜皮加以补强。至于生产的厂商可上网“FPC”当关键词查询应该可以找到。

  选择 PCB 与外壳接地点选择的原则是利用 chassis ground 提供低阻抗的路径给回流电流(returning current)及控制此回流电流的路径。例如,通常在高频器件或时钟产生器附近可以借固定用的螺丝将 PCB的地层与 chassis ground 做连接,以尽量缩小整个电流回路面积,也就减少电磁辐射。

  就数字电路而言,首先先依序确定三件事情: 1. 确认所有电源值的大小均达到设计所需。有些多重电源的系统可能会要求某些电源之间起来的顺序与快慢有某种规范。 2. 确认所有时钟信号频率都工作正常且信号边缘上没有非单调(non-monotonic)的问题。3. 确认 reset 信号是否达到规范要求。 这些都正常的话,芯片应该要发出第一个周期(cycle)的信号。接下来依照系统运作原理与 bus protocol 来 debug。

  22、在电路板尺寸固定的情况下,如果设计中需要容纳更多的功能,就往往需要提高 PCB 的走线密度,但是这样有可能导致走线的相互干扰增强,同时走线过细也使阻抗无法降低,请专家介绍在高速(100MHz)高密度 PCB 设计中的技巧?

  23、模拟电源处的滤波经常是用 LC 电路。但是为什么有时 LC 比 RC 滤波效果差?

  LC 与 RC 滤波效果的比较必须考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是否恰当。因为电感的感抗(reactance)大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声频率较低,而电感值又不够大,这时滤波效果可能不如 RC。但是,使用 RC 滤波要付出的代价是电阻本身会耗能,效率较差,且要注意所选电阻能承受的功率。

  电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外,还要考虑瞬时电流的反应能力。如 果 LC 的输出端会有机会需要瞬间输出大电流,则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度,增加纹波噪声(ripple noise)。电容值则和所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小,电容值会较大。而电容的ESR/ESL 也会有影响。另外,如果这 LC 是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时,还要注意此 LC 所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈控制(negative feedback control)回路稳定度的影响。

  PCB 板上会因 EMC 而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了 ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外,通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过 EMC的要求。以下仅就 PCB 板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。

  注意高速信号的阻抗匹配,走线层及其回流电流路径(return current path), 以减少高频的反射与辐射。

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