10个和高速PCB设计相关的重要知识分享

出处:互联网 发布于:2020-10-23 14:28:38

  在高速PCB设计的学习中,有很多的知识点需要大家去了解和掌握,比如常见的信号完整性、反射、串扰、电源噪声、滤波等。本文就和大家分享10个和高速PCB设计相关的重要知识,希望对大家的学习有所帮助。

  信号完整性

  信号完整性(英语:Signal integrity,SI)是指信号在传输路径上的质量,传输路径可以是普通的金属线,可以是光学器件,也可以是其他媒质。

  在短距离、低比特率的情况里,一个简单的导体可以忠实地传输信号。

  而长距离、高比特率的信号如果通过几种不同的导体,多种效应可以降低信号的可信度,这样系统或设备不能正常工作。

  随着集成电路输出开关速度提高以及PCB板密度增加,信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。

  元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素,都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不工作。

  信号完整性需要考虑的问题主要有振铃(ringing)、串扰(crosstalk)、接地反弹、扭曲(skew)、信号损失和电源供应中的噪音。

  反射

  反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处,但是有一部分被反射了。

  如果源端与负载端具有相同的阻抗,反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射,负载将一部分电压反射回源端。

  如果负载阻抗小于源阻抗,反射电压为负,反之,如果负载阻抗大于源阻抗,反射电压为正。

  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此类反射。

  串扰

  串扰是两条信号线之间的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

  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。

  特性阻抗

  先来澄清几个概念,我们经常会看到阻抗、特性阻抗、瞬时阻抗,严格来讲,他们是有区别的,但是万变不离其宗,它们仍然是阻抗的基本定义:

  将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗;

  将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗;

  如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗,就称之为传输线的特性阻抗。

  特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗,这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。

  如果没有特殊说明,一般用特性阻抗来统称传输线阻抗。

  PS:对于高速PCB设计而言,我们的目标是信号在传输过程中尽量保持阻抗稳定,而这必须保持传输线特性阻抗的稳定。

  电源完整性

  电源完整性(Power integrity)简称PI,是确认电源来源及目的端的电压及电流是否符合需求。

  电源完整性在现今的电子产品中相当重要。有几个有关电源完整性的层面:芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。

  其中,在电路板层面的电源完整性要达到以下三个需求:

  使芯片引脚的电压涟波比规格要小一些(例如电压和1V之间的误差小于+/-50 mV)

  控制接地反弹(也称为同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO)

  降低电磁干扰(EMI)并且维持电磁兼容性(EMC):电源分布网络(PDN)是电路板上  型的导体,因此也是  容易发射及接收噪声的天线。

  电源噪声

  电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,  可达150MHz。

  电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。

  在高频电路中,电源所带有的噪声对高频信号影响尤为明显。因此,首先要求电源是低噪声的。在这里,干净的地和干净的电源同样重要。

  滤波

  滤波(Wave filtering)是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施,滤波分为经典滤波和现代滤波。

  并行总线

  总线是两个或两个以上设备通讯的共享物理通路,是信号线的集合,是多个部件间的公共连线,用于在各个部件间传输信息。

  接照工作模式不同,总线可以分为两种类型:一种是并行总线,一种是串行总线。

  并行总线:同一时刻可以传输多位数据,好比是一条允许多辆车并排开的宽敞道路,而且它还有双向单向之分。

  串行总线

  串行总线:在同一时刻只能传输一个数据,好比只容许一辆车行走的狭窄道路,数据必须一个接一个传输、看起来仿佛一个长长的数据串,故称为“串行”。

  拓扑结构

  拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式,PCB设计中的拓扑,指的是芯片之间的连接关系。

  常用的拓扑结构包括点对点、菊花链、远端簇型、星型等。


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