电容在高速PCB设计中的应用

1、如何在 Allegro 中如何进行设计重用在现代设计中， 设计的系统复杂度越来越高， 速度也越来越高，产品的升级也越来越快，这 样在每次的设计中从零开始的话，势必会增加劳动成本和时间。 Allegro 就提供了多人合作 的功能和设计复用的能力。多人合作 PCB 的步骤1. 进行合理的整体布局2. 根据设计人员的情况进行分工，每人负责一个局部的 PCB 设计3. 每个人在复制的 PCB 布局上面完成自己的部分4. 每个人在完成自己的 PCB 局部设计后，开始导出自己的设计称为一个 sub-drawing 。 File->Export->Sub-Drawing ；然后在 Find 中只

2、选中 Cline 和 Via ； 然后利用鼠标进行要复制区域的拖拉选中；最后要给这部分指定一个参考点，为 了准确期间，使用 “Pick x y 命”令；然后指定这个 Sub-Drawing 的名字 *.clp 存盘。5. 导入。 File->Import->Sub-Drawing ，选择要导入的 clp 文件就可以了。定位的时候 一定要对准位置，最好用 “ x x y命'令。否则会出现连不上的情况。如何从 gerber 文件中复制部分线到 Allegro 中1、用 CAM350 打开要复制的 gerber 文件，删除其它的线段，只留下要复制的线段2、File->Exp

3、ort->DXF3、在 Allegro 中， File-> Import->DXF ，导入 DXF 文件，注意导入的时候会根据文件中 的原点坐标自动对准，所以在 CAM350 中导出的时候要注意线段相对于原点的位置如何在 Allegro 中将 2D-Line 转换为 ClineTools->Derive ConnectivityAllegro 如何设定线长限制1, 打 开 allegrosetup-electricalconstraintspreadsheet->net->routing->relativepropagation delay2, 鼠标右

4、键 system 下面的文件名 （brd 文件名） ->creat->match group->输入一个自定义的 name （比如 PCI1）3, 鼠标右键 PCI1-membership->match group->选中所有需要长度设定的 net 到 members4, pin pairs 选 longest pin pair ， scope 选 global relative delay->delta:tolerance（mil）,在下面填入公差（比如0mil ： 100mil ）5, route 完成以后 actual 里面就会有 net 长度显示，如

5、果全部绿色则满足规则，所有的 net 相互之间的长度差别在 100mil 以内 如果是红色的， 则说明不满足规则， 看正负分别表示长 或者短 ,调整至绿色 ok电容在高速PCB设计中的应用探讨高速PCB设计电容的应用。电容是电路板上不可缺少的一个部分，并且起到了至关重要的作用，探讨它具备至关重要的价值。您在设计中是否有这样困惑：我要用什么样的电容？ 需要多少这样电容？要如何放置这样的电容 ？带着这些疑问我们走入我们的正题笫一部分、电容的分类电容在电路的设计中从应用上进行分类，可以将电容分为四类：1. AC耦合电容。主要用于 GHz信号的交流耦合。2. 退耦电容。主要用于保持滤除高速电路板的电源

6、或地的噪声。3. 有源或无源RC滤波或选频网络中用到的电容。4. 模拟积分器和采样保持电路中用到的电容。吓 tjte图1电容器的四种应用类型在本文中我们将主要讨论第二大类退耦电容。电容从制造的材料和工艺进行分类，主要有以下不同形式的电容:1. NPO陶瓷电容器2. 聚苯乙烯陶器电容器3. 聚丙烯电容器4. 聚四氟乙烯电容器5. MOS电容器6. 聚碳酸酯电容器7. 聚脂电容器8. 单片陶瓷电容器9. 云母电容器10. 铝电解电容器11. 钽电解电容器在实际的设计中由于，价格、采购等各方面原因经常用的电容有：陶瓷电容、铝电解电容、 钽电容。下面我们看看，各个电容的性能比较表：类型典型介质吸收优点

7、缺点NPO陶瓷电容 器吸收<0.1 %外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范 围宽、销售商多、电感低通常很低，但又无法限制到很小的数值(10nF)聚苯乙烯陶器电容器0.001 % 0.02 %价格便宜、DA很低、电容值范围宽、稳定性好温度高于85 C,电容器受到损害、外形 尺寸大、电感高聚丙烯电容器0.001 % 0.02 %价格便宜、DA很低、电容值范围宽温度高于+105 C,电容器受到损害、外 形尺寸大电感高聚四氟乙烯电容器0.003 %0.02 %DA很低、稳定性好、可在 +125 C以上温度工 作、电容值范围宽价格相当贵.外形尺寸大、电感高MOS电容器0.01 %DA性能好，尺

8、寸小，可在 +250 'C以上温度工 作，电感低限制供应、只提供小电容值聚碳酸酯电容 器0.1 %稳定性好、价格低、温度范围宽外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感 高聚脂电容器0.3 %0.5 %稳定性中等、价格低。温度范围宽、电感低外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感 高单片陶瓷电容器>0.2 %电感低、电容值范围宽稳定性差。DA性能差、电压系数高云母电容器>0.003 %高频损耗低、电感低、稳定性好、效率优于1%外形尺寸很大、电容值低(< 10nF)、价格 贵铝电解电容器很高电容值高、电流大、电压高、尺寸小泄漏大、通常有极性、稳定性差、精度低、 电感性。钽电解电容

9、器很高尺寸小、电容值大、电感适中泄漏很大、通常有极性、价格贵、稳定性 差、精度差讲这么多的电容的分类。 我们将把重点放在用于退耦作用的电容身上，我们下面将做重点 的阐述。第二部分、电容的具体模型和分布参数要正确合理的应用电容，自然需要认识电容的具体模型以及模型中各个分布参数的具体意义和作用。和其他的元器件一样，实际中的电容与”理想”电容器不同，”实际”电容器由于其封装、材料等方面的影响，其就具各有电感、电阻的一个附加特性，必须用附加的”寄生"元件或"非理想"性能来表征，其表现形式为电阻元件和电感元件，非线性和介电存储性能。”实际”电容器模型如下图所示。由于这些寄生

10、元件决定的电容器的特性，通常在电容器生产 厂家的产品说明中都有详细说明。在每项应用中了解这些寄生作用，将有助于你选择合适类型的电容器。从上面的图我们可以看出，电容实际上应该由六个部分组成。除了自己的电容C夕卜，还有以下部分组成：1、等效串联电阻 ESR RESR :电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，RESR使电容器消耗能量（从而产生损耗）。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但 对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有太大的影响。RESR最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。2、等效串联电感 ESL ,

11、 LESL :电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像RESR 一样，LESL在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率（Tra nsition freque ncies）扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下，仍具有增益, 可以放大电感值很低的谐振信号这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。3、等效并联电阻 EPR RL :就是我们通常所说的电容器泄漏电阻，在交流耦合应用、存储应用（例如模拟积分器和采样保持器）以及当电容器用于高阻抗电路时，RL是一项重要

12、参数，理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的RL使电荷以RC、时间常数决定的速率缓慢泄漏。4、还是两个参数 RDA、CDA也是电容的分布参数，但在实际的应该中影响比较小，这 里就不介绍了。所以电容重要分布参数的有三个： ESR、ESL、EPR。其中最重要的是 ESR、ESL，实 际在分析电容模型的时候一般只用 RLC简化模型，即分析电容的 C、ESR、ESL，这我们 将在下面做重点分析电容的简化模型。下面我们在介绍详细模型的基础上，谈谈我们设计中经常用到两种电容：电解电容器（比如钽电容器和铝电解电容器）的容量很大，由于其隔离电阻低，就是等效并联电阻EPR很小，所以漏电流非常

13、大（典型值520nA /uF），因此它不适合用于存储和 耦合。电解电容比较适合用于电源的旁路电容，用于稳定电源的供电。 最适合用于交流耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型（聚丙烯、聚苯乙烯等）电容器。单片陶瓷电容器，比较适合用于高频电路的退耦电容，因为它们具有很低的等效串联电感，就是等效串联电感 ESL很小，具备有很广的退耦频段。这和他的结构构成有很大的关系单 片陶瓷电容器是由多层夹层金属薄膜和陶瓷薄膜构成的，而且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的，而不是按照串行方式卷绕的。我们谈了电容的详细的等效模型，相信大家现在对电容应该有比较深的认识了，下面我们将继续谈实际分析应用中要

14、经常用到的电容的简化等效模型，和他阻抗曲线的由来和意义。第三部分、电容的简化模型和阻抗曲线ESR、串联等效电感 ESL、ESR和ESL，我们通常采为了分析方便，在实际的分析应该中经常使用由串联等效电阻 电容组成的RLC模型。因为对电容的高频特性影响最大的则是 用下图中简化的实际模型进行分析：上式就是电容的容抗随频率变化的表达式，如果上面组成的RLC模型的阻抗如果用数学公式可以表示如下:Z=Rs+j 3 Ls-j/ 3 C=Rs+j( 3 LSI/ 3 C)式中 w =2 n f) 那么它的模的表达式如下：2n fLs=1/2 n fC 那么 |Z|min=Rs,此时:画出电容的容抗的曲线的图如

15、下:从上图，我们很清楚的看出：电容在整个频段，并非都是表现为电容的特性，而是在低频的 情况（谐振频率以下），表现为电容性的器件，而当频率增加（超过谐振频率）的时候，它 渐渐的表现为电感性的器件，也就是说它的阻抗随着频率的增加先减小后增大，等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率时，这时候，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻 ESR 。了解了上面的曲线，应该就不难理解在实际的应用中，我们选择电容的标准是：1. 尽可能低的 ESR 电容。2. 尽可能高的电容的谐振频率值。高速 PCB 设计的叠层问题随着高速电路的不断涌现， PCB 板的复杂度也越来越高，为了避免电气因素的干扰，

16、信号 层和电源层必须分离，所以就牵涉到多层 PCB 的设计。在多层板的设计中，对于叠层的安 排显得尤为重要。一个好的叠层设计方案将会大大减小 EMI 及串扰的影响，在下面的讨论 中，我们将具体分析叠层设计如何影响高速电路的电气性能。一多层板和铺铜层 （Plane）多层板在设计中和普通的 PCB 板相比， 除了添加了必要的信号走线层之外， 最重要的是 安排了独立的电源和地层 （铺铜层 ）。在高速数字电路系统中，使用电源和地层来代替以前的 电源和地总线的优点主要在于：1. 为数字信号的变换提供一个稳定的参考电压。2. 均匀地将电源同时加在每个逻辑器件上3. 有效地抑制信号之间的串扰原因在于，使用大

17、面积铺铜作为电源和地层大大减小了电源和地的电阻，使得电源层上 的电压很均匀平稳， 而且可以保证每根信号线都有很近的地平面相对应， 这同时减小了信号 线的特征阻抗， 对有效地较少串扰也非常有利。所以，对于某些高端的高速电路设计， 已经 明确规定一定要使用 6 层 （或以上的 ）的叠层方案，如 Intel 对 PC133 内存模块 PCB 板的要 求。这主要就是考虑到多层板在电气特性， 以及对电磁辐射的抑制， 甚至在抵抗物理机械损 伤的能力上都明显优于低层数的 PCB 板。如果从成本的因素考虑， 也并不是层数越多价格越贵， 因为 PCB 板的成本除了和层数有 关外， 还和单位面积走线的密度有关，在

18、降低了层数后，走线的空间必然减小，从而增大了走线的密度， 甚至不得不通过减小线宽， 缩短间距来达到设计要求， 往往这些造成的成本增 加反而有可能会超过减少叠层而降低的成本， 再加上电气性能的变差， 这种做法经常会适得 其反。所以对于设计者来说，一定要做到全方面的考虑。二高频下地平面层对信号的影响如果我们将 PCB 的微带布线作为一个传输线模型来看， 那么地平面层也可以看成是传输 线的一部分，这里可以用 “回路 ”的概念来代替 “地 ”的概念，地铺铜层其实是信号线的回流通 路。电源层和地层通过大量的去耦电容相连， 在交流情况下， 电源层和地层可以看成是等价 的。在低频和高频下电流回路有什么不同呢

19、? 从下图中我们可以看出来，在低频下，电流是沿电阻最小的路径流回， 而在高频情况下， 电流是沿着电感最小的回路流回， 也是阻抗最小 的路径，表现为回路电流集中分布在信号走线的正下方。高频下，当一条导线直接在接地层上布置时，即使存在更短的回路，回路电流也要直接 从始发信号路径下的布线层流回信号源，这条路径具有最小阻抗，即电感最小和电容最大。 这种靠大电容耦合抑制电场，靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。下面这个公式反映了信号线下方回流路径上的电流密度随各种条件而变化的规律：1）是D点的电徹芾传输迭議面圄流密度从公式中可以得出结论：在电流回路上，离信号线越近的位置，电流的密度越大，这种 情况下整个回路的面积最小，因而电感也最小。同时可以想象，信号线和回路如果离的很近， 两者电流大小近似相等，方向相反，在外部空间产生的磁场可以相互抵消，因此对外界的 EMI也很小。所以，在叠层设置时最好保证每个信号走线层都有很近的地平面