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高速PCB板設計
由於I/O的信號的快速切換會導致噪聲產生、信號反射、串擾、地反彈,所以設計時必須注意:
1. 電源滲透並平坦分佈到所有器件中以減少噪聲;
2. 爲信號(包括時鐘和差分信號)使用建議的佈線技巧;
3. 阻抗匹配和終端設計估計;
4. 終止信號和傳輸線以減少信號反射;
5. 最小化並行走線的串擾;
6. 減少地反彈的影響。
電源過濾和分佈
所有電路板和器件上乾淨、平臺分佈電源Vcc可以減少系統噪聲。
濾除由供電源處產生的低頻(<1kHz)噪聲,建議就近供電源入口處放置100uF的電解電容;若使用電壓調整器,直接放置電容到最終給器件供電的Vcc處。電容不經濾除供電源產生的低頻噪聲,而且也能爲許多輸出切換同時發生時提供額外的電流。
另一種濾除供電源噪聲的方法是串入一個鐵氧體磁珠,並就近磁珠放置一個10uF-100uF的旁路電容。一個合理的終端、佈局、濾波的設計不需要磁珠,使用一個0歐姆的電阻取代即可。
爲了濾除器件中的高頻噪聲,建議就近Vcc和GND放置退耦電容。
電源分佈也會影響系統噪聲。總線分佈的電源和電源面(獨立電源層)都會散佈電源到PCB中。通常兩層板的電源採用總線分佈式,PCB的密度限制了走線寬度,電源總線有DC阻抗,總線上最後的元件接收到Vcc可能會被削減了最多0.5V。因此,建議使用獨立的電源層傳播電源,可以有效降低DC阻抗。
關於模擬電源和數字電源,如果無法做到使用獨立的層,那麼應該進行電源平面的切割。圖2就是PLL電源供電隔離的例子。
減少電源分佈產生的系統噪聲:
1. 爲平坦式電源分佈使用獨立的模擬電源供電;
2. PLL電源供電避免走線和多信號層;
3. 靠近PLL電源供電面仿真一個地層面;
4. 只能把模擬和數字元件放置在它們相應的地平面上;
5. 使用磁珠隔離 PLL供電源和數字供電源。
傳輸線和信號走線
快速切換導致噪聲產生、信號反射、串擾、地反彈的不同程度,取決於PCB原材料結構特性。PCB板的介電常數Er,決定了信號在板上的傳輸速率,下面的公式即介電常數和信號傳播速率的關係(C = 光速 = 3× (10的8次方) m/s):
Vp = C / (Er開根號)
計算信號在PCB板上的傳播延時Tpd = l / Vp 。
一條信號走線是採樣集總線還是分佈線取決於信號切換時間(Tr)是否大於4被的Tpd 。
集總線:Tr > 4 × Tpd
分佈線:Tr < 4 × Tpd
微波傳輸線和帶狀傳輸線的走線如下:
時鐘信號佈線
推薦以下的時鐘佈線技巧:
1. 避免過多的繞轉,時鐘走線應該儘可能的走直線;
2. 儘量讓時鐘信號只走一個信號層;
3. 時鐘信號傳輸中避免打過孔,因爲過孔會導致阻抗變化和反射;
4. 以微波傳輸線方式走時鐘信號線(頂層更合適);
5. 靠近外層布地面以最小化噪聲干擾,如果你使用內層走時鐘信號,使用地平面夾着一減少延時;
6. 合適的終結時鐘信號線。
差分信號走線
推薦以下的差分信號走線技巧:
1. 保證圖中的D > 2S以最小化串擾;
2. 在信號離開器件後,儘可能的靠近兩條差分信號對,最小化信號反射;
3. 在兩條差分信號對的整個走線過程中保持恆定的距離;
4. 保持兩條差分信號對的走線長度一致,最小化偏斜和相位差異;
5. 避免使用過孔,最小化匹配阻抗和感應係數。
阻抗匹配和終端設計
爲了消除信號反射,源阻抗Zs必須等於走線阻抗Zo,也必須等於負載阻抗ZL。負載阻抗通常會高於走線阻抗,走線阻抗高於源阻抗。爲了消除信號反射,串入或者併入一些電阻達到ZL或Zs與Zo相匹配。
並行方式很多,下面介紹常用的串行匹配方式。串行匹配電阻主要是爲了削弱次級反射。經驗值推薦爲33歐姆。例如我們常在時鐘信號的走線上串入一個33歐姆的電阻。
串擾
串擾是指並行走線之間有害的耦合。兩種類型的串擾:前向(電容性的)和後向(感應性的)。前向串擾主要是由於兩個長的並行信號之間的相互電容導致,其中一個信號跳變時會影響另一個信號線。後向串擾常發生在磁性區域,其中一個信號對另一個信號的影響。
下圖是並行走線的長度與串擾程度的關係。
爲了有效減低並行走線間的串擾,必須保證兩個並行走線的信號的中心距離大於4倍的走線寬度,如下圖。
此外,如果它們之間的走線距離無法得到保證,那麼拉近地面與並行走線信號間的距離也可以有效削弱串擾的影響。下面是不同的地平面與信號間的距離對信號串擾的影響程度。
地反彈
解決辦法:
1. 儘可能的給Vcc/GND對添加退耦電容;
2. 退耦電容儘可能靠近器件的電源和地;
……