高速電路板設(shè)計方法

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1、高速電路板的設(shè)計方法本文由ryuuei_1984貢獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。高速電路板的設(shè)計方法引言當今對于系統(tǒng)的設(shè)計來說,最重要的因素就是速度.我們通常采用的是66MHz~200MHz的處理器,233MHz和266MHz處理器的應(yīng)用也越來越廣泛.提出高速要求的原因有兩個:一,要求系統(tǒng)在人們認為適合的時間幀中完成復雜的任務(wù).比如說,即使是最基本的計算機動畫制作也需要通過處理大量的信息才能夠完成.二,元件廠商能夠生產(chǎn)出高速器件.目前,可編程陣列邏輯(PAL)器件可提供的

2、傳輸延遲是4.5ns,而復雜的PLD(如MACH)的傳輸延遲是5ns,這似乎是快速的,但并不是傳輸延遲造成的,其實快速的傳輸延遲是由快速的邊沿速率獲得的.將來會出現(xiàn)速度更快的器件,可以提供相對更快速的邊沿速率.高速系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要借助快速的元件,而且需要精心的設(shè)計.器件的模擬部分和數(shù)字部分同等重要.高速系統(tǒng)存在的主要問題是噪音的產(chǎn)生,高頻能夠輻射并造成干擾,相應(yīng)的快速邊沿速率可能會產(chǎn)生振蕩,反射和串擾現(xiàn)象,如果不能及時檢查出來,這種噪音可能會大大地降低系統(tǒng)的性能.本文對利用PC板布局實現(xiàn)高速系統(tǒng)的設(shè)計進行了概述,主要內(nèi)容包括

3、:電源分布系統(tǒng)及其對供膳寄宿處產(chǎn)生的影響;傳輸線路以及相關(guān)的設(shè)計規(guī)則;串擾的產(chǎn)生和消除;電磁干擾1.電源分布電源分布網(wǎng)絡(luò)是高速電路板設(shè)計中最重要的考慮因素.無噪音的電路板必需無噪音的電源分布網(wǎng)絡(luò).注意,設(shè)計無噪聲的VCC和無噪聲的地一樣重要.本文主要論述的是AC用途,因此VCC就是地.電源分布網(wǎng)絡(luò)還必須為電路板上所有信號提供返回路徑.由于返回路徑的作用在低頻時不很明顯,所以常常被忽視,而許多設(shè)計即使在返回路徑的特性被忽視的情況下也能運行.1.1.電源分布網(wǎng)絡(luò)作為電源1.1.1.阻抗的作用假設(shè)有一塊帶有數(shù)字IC和+5.0V電源的

4、電路板,規(guī)格為5"x5",目的是將+5.0V電壓正確地傳遞到電路板上每個器件的電源引腳,而不用考慮器件相對于電源的位置.另外,引腳處的電壓是不受線路噪音影響的.具有這些特征的電源示意地表示為理想的電壓源(見圖1a),其阻抗為零,這可以保證負載和源電壓相等,也意味著噪音信號會被吸收,原因是噪音發(fā)生器的源阻抗是有限的.遺憾的是,這只是一種理想的情況.圖1b舉例說明了真實電源的情況,它有電阻,電感和電容形式的阻抗,分布在電源分布網(wǎng)絡(luò).噪音信號可能會因為網(wǎng)絡(luò)中的阻抗而影響電壓的增加.設(shè)計的目標是要盡可能減小電源分布網(wǎng)絡(luò)的阻抗,具體可通

5、過電源總線和電源層兩種方案來實現(xiàn).雖然電源層的阻抗特性比電源總線好,但是實際考慮時可能更傾向于電源總線方法.圖1.電源a)理想的情況;b)更現(xiàn)實的情況1.1.2.電源總線與電源層的比較圖2展示了兩種電源分布方案.總線系統(tǒng)(圖2a)由一組線跡和系統(tǒng)器件要求的不同電壓電平構(gòu)成,邏輯上通常是+5V和地線,各電壓電平要求的線跡數(shù)量隨系統(tǒng)的不同而變化.電源層系統(tǒng)(圖2b)由覆蓋了金屬的完整層(或者是層段)構(gòu)成,各電壓電平都要求有獨立的層,金屬中唯一的間隙是用來放置引腳和信號饋通的.早期主要出于費用方面的考慮,主要采用電源總線方案.電源總

6、線與信號線在同一層面上.必須由電源總線為所有器件提供電源,其他的空間用于走信號線,電源總線呈長長的窄帶狀,因而在相對小的截面積上會產(chǎn)生小的電阻.雖然電阻比較小,但非常重要.即使是小電路板,也能容納20-30個器件.假如20個器件的電路板上的每個器件吸收200mA的電流,那么總電流將是4A,0.125Ω的總線電阻將產(chǎn)生0.5V的電壓降,假設(shè)電源是5V,則總線上最后一個器件只可能接收4.5V.因為電源層填充了整個層,所以唯一的限制是電路板的大小.電源層的電阻對于提供相同器件數(shù)量的電源總線上的電阻來說,只是很小的一部分,因此與電源總

7、線比較起來,電源層更可能為所有器件提供全部的能量.在電源總線方案中,電流被限制在由總線定義的路徑上.高速器件產(chǎn)生的線路噪音會影響電源總線上的其它器件.在圖2a所示的電路板上,U9產(chǎn)生的噪音通過總線傳至U7.而在電源層方案中,由于電流路徑不受限制,因此噪音電流是分布式的,再加之阻抗較低,使電源層受噪音的影響比電源總線小.圖2.電源分布系統(tǒng)a)電源總線;b)電源層1.1.3.線路噪音的濾波電源層單獨無法消除線路噪音,既然所有的系統(tǒng)都會遇到噪音問題,那么不管采用何種電源分布方案,都需要借助旁路電容來進行濾波.通常情況下,1μF~10

8、μF電容放置在電路板的電源輸入上,而0.01μF~0.1μF電容則放置在電路板的每個有源器件的電源引腳和接地引腳上.這里旁路電容充當?shù)氖菫V波器的角色.大電容(≈10μF)放置在電路板的電源輸入上,用以濾波通常由電路板外產(chǎn)生的較低頻信號(比如60Hz線路頻率).電路板上有源器件