PCB信号完整性布线技术.pdf
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1、PCB 布线技术 PCB设计的艺术 好的PCB设计需要花费数十年的时间才能不断磨砺而成 设计一个可靠的高速,混合系统需要用到大量的理论知识以及与之相对应的实际应用 这篇文档将会用到许多重要的概念 目录 PCBS 101 优秀的高速PCB设计练习 电源/地系统的效率 正确使用去耦电容 电阻,电容在高速设计中真正的特性 高速信号的传输-线还是传输线 阻抗不匹配,串联及并联终端 控制EMI 混合信号布线 混合信号的接地方式 混合信号设计中的地平面 电源的滤波及去耦 考虑寄生参数 控制差分阻抗 小信号布线 考虑走线损耗 在屏蔽电缆中正确接地 最小化PCB泄漏电流 预防PCB温度问题 PCB 基础 PC
2、B量测的单位 PCB设计起源于美国,所以其常用单位是英制,而非公制 版子的大小通常使用英尺 介质厚度&导体的长宽通常使用英尺及英寸 1 mil=0.001 inches 1 mil=.0254 mm 导体的厚度常使用盎司(oz)一平方英尺金属的重量 典型值 0.5oz=17.5m 1.0oz=35.0m 2.0oz=70.0m 3.0oz=105.0m PCB基础 PCB 叠层 一个PCB由不断交错着的Prepreg和Core组成 材料:Core:一片薄薄的固化的介质(通常是FR4:玻璃纤维&环氧基树脂)Prepreg:preimpregnated的简写。一片薄薄的未固化的介质(通常FR4:玻
3、璃纤维-环氧基树脂)当被加热或挤压时,Prepreg会溶解在环氧基树脂胶里,然后变成和Core具有相同介电常数的材料 铜箔:一片铜板,使用一环氧树脂粘合在Core的两边 PCB的层数代表的是铜箔的层数 一个8层PCB包含8层铜箔 叠层根据板子在纵轴上的中心点对称,以避免在热循环中的机械应力 典型8层板的横截面 PCB结构 PCB导体:Traces 铜是PCB中最常用的导体 走线或连接器一般通过镀金来提供一个抗腐蚀的电传导特性 走线的宽度和长度-由PCB布线工程师控制 在通常的制造工艺下,走线的宽度和之间的间距一般要5 mil 走线厚度-制造工艺的变量 典型值 0.5oz 3oz 趋势 0.25
4、oz SI Tip:以上因素都会影响走线的电阻,电容,阻抗,在高速信号设计中都要被慎重的考虑 PCB基础 PCB导体:电源平面 电源平面 使用一个完整的铜箔平面来提供电源或地 一般会使用比信号层更厚的铜箔层来降低电阻 为什么需要?为PCB上所有设备的电源地信号提供一个稳定的,低阻抗的路径 屏蔽层与层之间的信号以此来降低串扰 SI tip:通过在Core的两边加相对的电源与地可以最大化“板间电容”。同样,也可以减少PCB的翘曲 PCB基础 PCB介质 一般的介质材料 FR-4(玻璃纤维和环氧基树脂交织而成)最常和最广泛使用,相对成本较低 介电常数:最大4.7,4.35500Mhz,4.341Gh
5、z 可承受的最高信号频率是2Ghz(超过这个值,损耗和串扰将会增加)FR-2(酚醛树脂棉纸)非常廉价,使用在廉价的消费设备上 容易破裂 介电常数:4.51Ghz CEM-3(玻璃与环氧基树脂编织物)与FR4类似,在日本广泛应用 Polyimide 高频的表现很好 FR&CEM FR:Flame Retardant CEM:Composite Epoxy Material SI Tip:绝大多数的PCB绝缘材料会有一个可控的介电常数-对于维持传输线阻抗的稳定来说这是非常重要的 PCB基础 Vias Vias(plated holes)连接不同层 通过钻孔的方式来打通PCB的不同层,并在内层电镀
6、通常比信号线大 埋孔和盲孔 增加布线密度 增加PCB制造的成本-通常用在高密度的产品上 埋孔非常难以去调试 SI Tip:Vias会引进容性分量并改变走线的特征阻抗 PCB 基础/典型的PCB设计流程 PCB基础 典型的PCB制造流程 从客户手中拿到Gerber,Drill以及其它PCB相关文件 准备PCB基片和薄片 铜箔的底片会被粘合在基材上 内层图像蚀刻 抗腐蚀的化学药水会涂在需要保留的铜箔上(例如走线和过孔)其他药水会被洗掉 然后使用腐蚀剂(通常是FeCI或Ammonia),未被标记的铜箔就会被移除 溶剂会把固化的抗腐蚀剂洗掉 清洗掉PCB板的其他杂物 压层 Drilling,clean
7、ing&plating vias 这是建立不同层之间的连接关系 在需要Via的地方打一个贯穿所有层的洞 电镀 外层图像蚀刻 绿漆层 丝印层(文本和图像)优秀的高速PCB设计练习 综述 一些设计者仍然靠“感觉”来设计PCB,而非正确的方法和规则 对于现代的高速模拟和数字设计,靠“感觉”来设计一个可靠的系统几乎是不可能的 结果可能是:错误的或意料之外的系统行为 在模拟路径上有不可接受的噪声强度 系统的稳定性随温度和板子结构变化较大 同一PCB上的互连设备之间误码率很高 大量的电源和地噪声 信号上的过冲,下冲和尖峰 优秀的PCB设计练习 使用正确的设备 一个拥有足够带宽的示波器在高速PCB设计工程中
8、是基本的工具 需要考虑设备的带宽和采样频率 一个133Mhz的SDRAM信号在一个200Mhz带宽和2GSPS采样率的廉价示波器上看起来会是什么样呢 一些非常重要的因素,如尖峰,过冲,下冲,电源噪声等在廉价的示波器上可能没办法正确的显示出来 记住!高速数字信号是方波 方波在其奇数谐波上有较高的能量 随着几何尺寸的减小(130nm-90nm-65nm),上升时间及下降时间的减小意味着更多的谐波 优秀的高速PCB设计练习 电源和地平面 应该尽可能的使用电源和地平面,Why?在设备和电源之间提供一个低阻抗的路径 提供屏蔽 提供散热 降低分布电感 一个完整的无破损的平面是最优选择 破碎的地平面会在走线
9、的上下层之间引入寄生电感 Remember!低频时,电流总是流过最小电阻路径 高频时,电流总是渡过最小电感路径 优秀的PCB设计练习 去耦电容(或“旁路电容”)当设备里的门电路切换时,设备里的阻抗会有一个瞬时的变化 结果就是电流会有一个瞬时的变化 去耦电容会这些瞬时的变化提供一个低阻抗的电流源 降低电源地之间的电压波动 帮助电源地信号工作在设备的工作SPEC之内 优秀的高速PCB设计练习 去耦电容 高速设计中有5个频段需要调节 DC至10 Khz 通过调节模块来调节 10 Khz至100Khz 通过去耦电容来调节 100Khz to 10 Mhz 通过100nf(0.1uf)来调节 10 Mh
10、z to 100M hz 通过10 nf来调节 100Mhz至更高 通过1nf和PCB电源和地平面来调节 优秀的高速PCB设计练习 去耦电容 需要多少去耦电容才够用呢?取决于系统 需要考虑工作频率,I/O的切换数量,每个Pin脚的容性负载,走线的特征阻抗,结点的温度,芯片内部的运算 对于处理器,要考虑各种运算方式,缓存,内存,DMA,等等 经验法则:从DC至高频的每个频段内,供电引脚的电压波动都就小于5%DC供电电压的最大波动加上噪声的最大值应该小于供电电压的5%需要一个足够带宽的示波器 有很多的方法去评估总共需要的容值,以及如何分布电容 这是一个复杂的问题,特别是在处理现在那些包含有成千上万
11、门电电路的处理器的时候 可在以下网站上获得帮助 优秀的高速PCB设计练习 去耦电容 为了获得最好的性能,应该尽可能的降低供电引脚与去耦电容之间的电感与电阻 PCB布线和过孔会增加阻抗 优秀的高速PCB设计练习 去耦电容 当使用电源/地平面对时,电容如同在PCB顶层一样有效 优秀的高速PCB设计练习 去耦电容 100Mhz以上的有效电容 随着时钟频率和边缘变化率的提高,如何有效的使用旁路电容变得越来越困难 电容的ESL(等效串联电感)随着频率的增加而增加 电容的ESR(等效串联电阻)的增加会降低电容的效力 电容的寄生参数(pads,vias)所带来的电抗会随着频率增加而增加 100nf的电容在1
12、00Mhz之上是无用的 优秀的高速PCB设计练习 认识电容-ESL ESL(等效串联电感)是由电容的电极和引线引起的电感 电容的ESL限制了一个电容在一个Power Buss中去耦的效果究竟有多好 电容本质上是一个LC电路,因此它有一个谐振点。ESL与容值都会影响电容的谐振点 优秀的高速PCB设计练习 认识电容-ESL 优秀的高速PCB设计练习 认识电容-ESL 不同种类的电容 TBA 高速PCB设计和布线 认识电阻 James Bryants paper TBA 高速PCB设计和布线 导线还是传输线?导线还是传输线 导线-我们认为导线上所有的点在任意时刻都有相同的电势 传输线-我们考虑信号传
13、输的影响,并假设在信号传输时线上会有不同的电势 什么时候会把信号回路看成传输线呢 如果长度大于波长的1/100 如果接收设备对边缘变化敏感 如果系统对过多的过冲和下冲无法接受 几乎一直是 高速PCB设计和布线 传输:时间和距离 传输延迟:表征电信号在介质中传播时间的值 通常的测量单位是ps/inches 电信号传输速度取决于其周围的介质 传输速度与介电常数的平方根成比例增加 高速PCB设计和布线 传输线与阻抗匹配 当信号的阻抗改变时,信号能量会被反射 能量反射的多少会与阻抗不匹配的程度有关 高速PCB设计和布线 理解传输线阻抗 PCB走线的物理特征是阻抗的最大影响因素 走线材料 走线宽度 走线
14、厚度 与其它平面和走线之间的距离 周围材料的介电常数 有许多免费的工具可以帮你评估走线的特征阻抗 http:/emclab.umr.edu/pcbtlc2/index.html 高速PCB设计和布线 信号回路上特征阻抗的改变 从设备A到设备B,一个传输信号很可能会经过很多次阻抗改变 最大的阻抗不匹配几乎都发生在源端和负载处 会产生很大的反射 我们该如何处理 让我们通过下面这个故事来理解 EDGAR能量包的故事 Edgar是一个慢跑者 他以6 inches/nanosecond的速度在一个PCB上运动 他会改变他所在导体位置的电压 Edgar遇到了“无端接”的传输线 属性:点对点连接 输出阻抗为
15、25 Ohm 传输线特征阻抗为50 Ohm 接收端阻抗为1 Meg Ohm 开始 从VDD与GND之间输出一个电压 Edgar开始向接收端运动 Edgar开始以6 inches/nanosecond的速度向接收端运动 Edgar被“反射”了 Edgar从50 Ohm的传输线运动到了1M ohm的接收端 几乎100%的Edgar被反射回源端了 Edgar返回输出端 Edgar带着几乎100%的能量以6 inches/nanosecond的速度返回 Edgar遇到了另一个阻抗不连续 Edgar结束了传输线的旅程之后遇到了25 Ohm的源 反射能量是 Edgar重新被送往接收端 Edgar以6 in
16、ches/nanosecond的速度运动 Edgar又被送往源端 Edgar以6 inches/nanosecond的速度运动 Edgar第三次被送往接收端 Edgar以6 inches/nanosecond的速度运动 在示波器上我们会看到什么呢?在输出端测量 在接收端测量 一直在接收端而非输出端测量 1:占总能量的1/3高速PCB设计和布线 传输线终端 利用欧姆定律来最小化源端和负载端的阻抗不匹配 在源端 源端阻抗一般低于50 ohm 我们可以在源端串联一个电阻来增加阻抗以便与传输线匹配 这种技术被称为串联端接 在负载端 负载阻抗一般比50 ohm大很多 我们可以在负载端并联一个电阻来降低阻
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