PCB及高速电路设计20091108

1、PCBPCB及高速电路设计及高速电路设计主讲人：杨学友主讲人：杨学友 教授教授第九章第九章 PCBPCB及高速电路设计及高速电路设计本章主要内容本章主要内容：电路板布局电路板布局电路板布线电路板布线高速电路基本元件等效模型高速电路基本元件等效模型高频信号布线高频信号布线9.1电路板的布局电路板的布局目的：保证每个不同的功能块互不干扰。目的：保证每个不同的功能块互不干扰。主要电路模块：数字部分（单片机及其他数字器件）；主要电路模块：数字部分（单片机及其他数字器件）；模拟部分（模拟信号采集及放大部分）；大功率部分模拟部分（模拟信号采集及放大部分）；大功率部分（电机驱动等大电流部分）。（电机驱动等大

2、电流部分）。原则：功能相同部分尽量放在一起。原则：功能相同部分尽量放在一起。 功率放大数字电路模拟电路电源线地线电源入口优点及改进优点及改进优点：电路互相隔离，功率部分电流最大，靠近电优点：电路互相隔离，功率部分电流最大，靠近电源。源。小电流模块在最末端，其它模块不干扰。小电流模块在最末端，其它模块不干扰。改进：每个模块都有独立的电源和地线。隔离最彻改进：每个模块都有独立的电源和地线。隔离最彻底。底。9.2 9.2 电路板的布线电路板的布线电源部分：这是电路中最重要的部分，一个稳定的电电源部分：这是电路中最重要的部分，一个稳定的电源电路是这个电路稳定工作的基础。源电路是这个电路稳定工作的基础。

3、关于电源入口的处理：最好加上一个滤波电路。（包关于电源入口的处理：最好加上一个滤波电路。（包括高频（开关电源）和低频（括高频（开关电源）和低频（50hz工频）工频）案例案例8051单片机复位部分走线不好故障单片机复位部分走线不好故障案例：某单板，需要控制较大功率继电器，单片机案例：某单板，需要控制较大功率继电器，单片机控制继电器时，很容易引起单片机复位。控制继电器时，很容易引起单片机复位。分析：分析：51单片机低电平复位，电源线直接从电源单片机低电平复位，电源线直接从电源部分引入，且此电源走线也简单引入继电器控制端，部分引入，且此电源走线也简单引入继电器控制端，当继电器控制时，需要较大电流，直

4、接从复位电容当继电器控制时，需要较大电流，直接从复位电容中抽取电荷，复位有高电平变为低电平，从而引起中抽取电荷，复位有高电平变为低电平，从而引起单片机复位！单片机复位！修改：复位和继电器走线分开即可！修改：复位和继电器走线分开即可！几种滤波电路几种滤波电路型滤波电路：电容型滤波电路：电容-电感电感-电容电容谐振原因及使用注意事项谐振原因及使用注意事项U0/Ui=(1/sC) /(sL + 1/sC) = 1/(LCs2+1)S=jw =j2f 当当S2=-4*f =LC时，时，U0/Ui无穷无穷 大。大。注意事项：被滤波的电源电路中最好没有和谐振注意事项：被滤波的电源电路中最好没有和谐振点重合

5、的频率，否则需要在电感上并联二极管或点重合的频率，否则需要在电感上并联二极管或者并联一个电阻消除谐振。者并联一个电阻消除谐振。其他其他一阶低通滤波电路：包括电解电容、一阶低通滤波电路：包括电解电容、0.1u电容滤波。电容滤波。低通滤波：频率响应。低通滤波：频率响应。电源线和地线的宽度电源线和地线的宽度原则：原则：1A电流至少需要电流至少需要1mm宽的电源线。宽的电源线。地线尽量宽，保证地电阻最小。地线尽量宽，保证地电阻最小。 双面板：双面板：top层元件，层元件，bottom层最好有一层较为完层最好有一层较为完整的地整的地 多层板：有一个或多个完整的地平面。多层板：有一个或多个完整的地平面。

6、不推荐使用单面板，目前单面板和双面板价格相差不推荐使用单面板，目前单面板和双面板价格相差很小。很小。去藕电容和旁路电容的概念去藕电容和旁路电容的概念去藕电容：藕表示去藕电容：藕表示2个对象的连接。去藕电容就是个对象的连接。去藕电容就是在在2个相互连接对象之间所加的电容。比如集成块个相互连接对象之间所加的电容。比如集成块电压入口处所加的电容。电压入口处所加的电容。旁路电容：一般来说是滤去信号中某一些频率分量旁路电容：一般来说是滤去信号中某一些频率分量所加的电容，这些频率分量通过旁路电容导入到所加的电容，这些频率分量通过旁路电容导入到GND。旁路电容的来源旁路电容的来源旁路电容不是理论概念，而是一

7、个经常使用的旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，在实用方法，在50 - 60年代，这个词也就有它特年代，这个词也就有它特有的含义，现在已不多用。电子管或者晶体管有的含义，现在已不多用。电子管或者晶体管是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压，为了在一个直流电源下工作，就在阴有负压，为了在一个直流电源下工作，就在阴极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫地正电位，而栅极直流接地，

8、这种偏置技术叫做做“自偏自偏”，但是对（交流）信号而言，这同，但是对（交流）信号而言，这同时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁路电容。路电容。 去藕电容和旁路电容去藕电容和旁路电容1）电源部分去藕电容：在进入每个芯片时，一般在电源部分去藕电容：在进入每个芯片时，一般在电源和地部分加上一个去藕电容。电源和地部分加上一个去藕电容。2个作用：个作用： a）防止电源部分的干扰进入芯片）防止电源部分的干扰进入芯片 b）防止芯片产生的干扰影响电源）防止芯片产生的干扰影响电源2）旁路电

9、容：一般是为了去掉某种频率分量。）旁路电容：一般是为了去掉某种频率分量。3）去藕电容和旁路电容的摆放位置。）去藕电容和旁路电容的摆放位置。9.3 9.3 高速电路基本元件等效模型高速电路基本元件等效模型1 基本概念基本概念 1）高频信号：当信号频率大于）高频信号：当信号频率大于100M时或信号的上升时或信号的上升沿时间沿时间1/(*tr)100Mhz，tr3.185ns 2）高速电路）高速电路 当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于1/2 上上升时间时，就叫做高速电路升时间时，就叫做高速电路举例：举例：比如信号上升时间比如信号上升时间Tr=1ns，信号线长

10、度，信号线长度x，信号线上，信号线上速率速率1.5*108m/s，1ns时间内电磁波走了时间内电磁波走了0.15m=15cm，所以信号线长度大于，所以信号线长度大于7.5cm，则成为，则成为高速电路高速电路 高速电路中的高速电路中的RLCRLC元件元件电阻的等效模型电阻的等效模型 高速情况下，需要考虑其引脚的等效电感。高速情况下，需要考虑其引脚的等效电感。 直插电阻直插电阻ESL大，一般封装越大，大，一般封装越大，ESL越大。高速越大。高速时使用小封装时使用小封装0402、0603等等假设假设ESL=1nH，R=10ohm f=100Mhz ZL=2*f*ESL=0.628 ohm f=1GH

11、z ZL=6.28ohm电感的等效模型电感的等效模型考虑电感值即可，电感值越大，考虑电感值即可，电感值越大，ZL越大，对高频信越大，对高频信号的阻挡作用越明显。不考虑号的阻挡作用越明显。不考虑ESR，则电感在高频，则电感在高频电路中呈现纯感性。电路中呈现纯感性。ZL= 2fL电容的等效模型电容的等效模型正常下，正常下，ESR很小，几十毫欧姆级别，在很小，几十毫欧姆级别，在LDO输输出电容设计时考虑。出电容设计时考虑。ESL主要是引脚等效电感。主要是引脚等效电感。电解电容电解电容ESL大，并且和容值相关，容值越大，大，并且和容值相关，容值越大，体积越大，体积越大，ESL、ESR越大；陶瓷电容越大

12、；陶瓷电容ESL、ESR较小。较小。考虑为什么高频电路需要选用容值较小的陶瓷电考虑为什么高频电路需要选用容值较小的陶瓷电容容。L、C串联：串联：Z = 1/sC + sL = (1 + L*C*s2)/sC极值为极值为 L- 1/Cs2=0 f0=1/2sqrt(LC)等效阻抗在等效阻抗在f0时最小，小电容时最小，小电容LC小，所以高频时用。小，所以高频时用。考虑低通滤波器考虑低通滤波器在在f0处，滤波效果最好！处，滤波效果最好！高速线（传输线）的模型高速线（传输线）的模型1）高速信号线：相对于参考（）高速信号线：相对于参考（PCB中的地、电源）平中的地、电源）平面，被认为是面，被认为是RLC

13、的组合，的组合，RLC是单位长度上的是单位长度上的RLC量量2）高速电路中的信号线需要考虑传输线效应；也就是）高速电路中的信号线需要考虑传输线效应；也就是高频信号（通常高频信号（通常100MHz）应该考虑传输线）应该考虑传输线3）传输线理论及模型：当传输信号的信号线的长度大）传输线理论及模型：当传输信号的信号线的长度大于该信号波长（工程上取波长的于该信号波长（工程上取波长的1/20）时，此信号线）时，此信号线就是传输线。传输线模型如下图（就是传输线。传输线模型如下图（R3是匹配电阻）：是匹配电阻）：4）特征阻抗（匹配电阻）：信号线上某一点上瞬）特征阻抗（匹配电阻）：信号线上某一点上瞬时电压和瞬

14、时电流的比值，传输线模型的时电压和瞬时电流的比值，传输线模型的R L C是单位长度上的度量。反映在是单位长度上的度量。反映在PCB电路板就是电路板就是TRACK的特性。只要分布参数恒定，特种阻抗的特性。只要分布参数恒定，特种阻抗固定。公式如下：固定。公式如下： Z0 = SQRT（L0 / C0）5）信号线延迟：信号从源端经过导体到达终端的）信号线延迟：信号从源端经过导体到达终端的时间。时间。 T0 = SQRT（L0*C0） V = C / SQRT(E) c：光速：光速 E：电介率：电介率 T = S / V S:信号线长度信号线长度 经验值：经验值：1ns，电磁波在，电磁波在PCB上走的

15、距离为上走的距离为17cm 高速电路的影响高速电路的影响信号完整性：信号线上的信号质量信号完整性：信号线上的信号质量SI过冲：包括上升沿过冲和下降沿过冲，过冲分析过冲：包括上升沿过冲和下降沿过冲，过冲分析见见RLC串联电路分析（集总模型）。微波理论中串联电路分析（集总模型）。微波理论中使用反射解释过冲。使用反射解释过冲。器件器件datasheet中有对输入参数有要求！中有对输入参数有要求！ 对于对于3.3V器件，经常要求器件，经常要求 -0.3VinVCC+0.3 Vcc=3.3 +/- 0.3，如果，如果Vin不不在这个范围内，可能导致器件损坏在这个范围内，可能导致器件损坏 续续1）地弹：多

16、个）地弹：多个IO同时动作，或单个同时动作，或单个IO大电流快大电流快速输出；地回路如有电感存在，会导致地弹，速输出；地回路如有电感存在，会导致地弹，影响地平面参考的稳定性。（正常地平面影响地平面参考的稳定性。（正常地平面Z=0） V=Ldi/dt2）串扰）串扰 串扰例子串扰例子 使用排线传输使用排线传输232信号，发送线和接收线紧信号，发送线和接收线紧邻，当发送据时，在接收线上有和发送数据相邻，当发送据时，在接收线上有和发送数据相同的较大信号，导致接收到的数据和发送数据同的较大信号，导致接收到的数据和发送数据相同。相同。 两根长距离紧邻走线，线越长，相互间的两根长距离紧邻走线，线越长，相互间

17、的等效电容越大，则高速信号越容易通过。等效电容越大，则高速信号越容易通过。9.4 高速电路设计技术高速电路设计技术理论分析理论分析RLC串联电路集总模型：将分布参数集中可以方便分串联电路集总模型：将分布参数集中可以方便分析。析。RLC电路的阶跃信号响应：电路的阶跃信号响应： 1）欠阻尼：）欠阻尼：R太小太小(反射和振铃反射和振铃) 2）过阻尼：）过阻尼：R太大（反射）太大（反射） 3）临界：）临界： R=sqrt（L/C）1.端接技术：端接技术： 短传输线：当最小数字脉宽大于传输线的延迟，称短传输线：当最小数字脉宽大于传输线的延迟，称为短传输线；长传输线反之。为短传输线；长传输线反之。 短传输

18、线：使用源端匹配短传输线：使用源端匹配 长传输线：使用终端匹配，比如长传输线：使用终端匹配，比如CATV电缆输入端电缆输入端一般接一般接75ohm终端匹配终端匹配信号线延迟的计算：信号线延迟的计算： 如果要求信号上升沿的长度不能如果要求信号上升沿的长度不能 大于大于2ns 则由公式则由公式 v = C/sqrt(E) ,E=4.5左右，左右， 则则v等于等于1.5 x 108 m/s ，2x1.5x0.1=30cm * 对于百兆信号，小于对于百兆信号，小于1ns，则信号线，则信号线 长度不能大于长度不能大于15cm，并且按照长短，并且按照长短 传输线进行相应的端接匹配。传输线进行相应的端接匹配。现代电路设计，现代电路设计，PCB越来越小，所以板内多采用源越来越小，所以板内多采用源端匹配，对于端匹配，对于50ohm高速电路，串接电阻多为高速电路，串接电阻多为33ohm左右左右2、仿真软件：、仿真软件：SI（信号完整性）仿真（信号完整性）仿真Hyperlynx进行前仿真