PCB及高速电路设计XXXX1108课件

PCB及高速电路设计主讲人：杨学友教授电磁兼容高速电路第九章PCB及高速电路设计本章主要内容：电路板布局电路板布线高速电路基本元件等效模型高频信号布线9.1电路板的布局目的：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）；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）。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：电路互相隔离，功率部分电流最大，靠近电源。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。隔离最彻底。9.2电路板的布线电源部分：这是电路中最重要的部分，一个稳定的电源电路是这个电路稳定工作的基础。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（50hz工频））案例8051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，单片机控制继电器时，很容易引起单片机复位。分析：51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，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，从而引起单片机复位！修改：复位和继电器走线分开即可！几种滤波电路Π型滤波电路：电容-电感-电容谐振原因及使用注意事项U0/Ui=(1/sC)/(sL+1/sC)=1/(LCs^2+1)S=jw=j2πf当S^2=-4π*πf=LC时，U0/Ui无穷

大。注意事项：被滤波的电源电路中最好没有和谐振点重合的频率，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。其他一阶低通滤波电路：包括电解电容、0.1u电容滤波。低通滤波：频率响应。电源线和地线的宽度原则：1A电流至少需要1mm宽的电源线。地线尽量宽，保证地电阻最小。

双面板：top层元件，bottom层最好有一层较为完整的地

多层板：有一个或多个完整的地平面。

不推荐使用单面板，目前单面板和双面板价格相差很小。去藕电容和旁路电容的概念去藕电容：藕表示2个对象的连接。去藕电容就是在2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。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GND。旁路电容的来源旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，在50

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60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地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫做“自偏”，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，就在这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁路电容。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，一般在电源和地部分加上一个去藕电容。2个作用：

a）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2）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。9.3高速电路基本元件等效模型1基本概念

1）高频信号：当信号频率大于100M时或信号的上升沿时间1/(π*tr)>100Mhz，tr>3.185ns2）高速电路当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于1/2上升时间时，就叫做高速电路举例：比如信号上升时间Tr=1ns，信号线长度x，信号线上速率1.5*10^8m/s，1ns时间内电磁波走了0.15m=15cm，所以信号线长度大于7.5cm，则成为高速电路

高速电路中的RLC元件电阻的等效模型高速情况下，需要考虑其引脚的等效电感。直插电阻ESL大，一般封装越大，ESL越大。高速时使用小封装0402、0603等假设ESL=1nH，R=10ohmf=100MhzZL=2*π*f*ESL=0.628ohmf=1GHzZL=6.28ohm电感的等效模型考虑电感值即可，电感值越大，ZL越大，对高频信号的阻挡作用越明显。不考虑ESR，则电感在高频电路中呈现纯感性。ZL=2πfL电容的等效模型正常下，ESR很小，几十毫欧姆级别，在LDO输出电容设计时考虑。ESL主要是引脚等效电感。电解电容ESL大，并且和容值相关，容值越大，体积越大，ESL、ESR越大；陶瓷电容ESL、ESR较小。考虑为什么高频电路需要选用容值较小的陶瓷电容。L、C串联：Z=1/sC+sL=(1+L*C*s^2)/sC极值为L-1/Cs^2=0f0=1/2πsqrt(LC)等效阻抗在f0时最小，小电容LC小，所以高频时用。考虑低通滤波器在f0处，滤波效果最好！高速线（传输线）的模型1）高速信号线：相对于参考（PCB中的地、电源）平面，被认为是RLC的组合，RLC是单位长度上的RLC量2）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>100MHz）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于该信号波长（工程上取波长的1/20）时，此信号线就是传输线。传输线模型如下图（R3是匹配电阻）：4）特征阻抗（匹配电阻）：信号线上某一点上瞬时电压和瞬时电流的比值，传输线模型的RLC是单位长度上的度量。反映在PCB电路板就是TRACK的特性。只要分布参数恒定，特种阻抗固定。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时间。

T0=SQRT（L0*C0）

V=C/SQRT(E)c：光速E：电介率

T=S/VS:信号线长度

经验值：1ns，电磁波在PCB上走的距离为17cm

高速电路的影响信号完整性：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，过冲分析见RLC串联电路分析（集总模型）。微波理论中使用反射解释过冲。器件datasheet中有对输入参数有要求！对于3.3V器件，经常要求-0.3<Vin<VCC+0.3Vcc=3.3+/-0.3，如果Vin不在这个范围内，可能导致器件损坏

续1）地弹：多个IO同时动作，或单个IO大电流快速输出；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Z=0）

V=Ldi/dt2）串扰串扰例子使用排线传输232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同的较大信号，导致接收到的数据和发送数据相同。两根长距离紧邻走线，线越长，相互间的等效电容越大，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析。RLC电路的阶跃信号响应：

1）欠阻尼：R太小(反射和振铃)2）过阻尼：R太大（反射）

3）临界：

R=sqrt（L/C）1.端接技术：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。短传输线：使用源端匹配

长传输线：使用终端匹配，比如CATV电缆输入端一般接75ohm终端匹配信号线延迟的计算：如果要求信号上升沿的长度不能大于2ns则由公式

v=C/sqrt(E),E=4.5左右，则v等于1.5x10^8m/s，2x1.5x0.1=30cm*对于百兆信号，小于1ns，则信号线长度不能大于15cm，并且按照长短传输线进行相应的端接匹配。现代电路设计，PCB越来越小，所以板内多采用源端匹配，对于50ohm高速电路，串接电阻多为33ohm左右2、仿真软件：SI（信号完整性）仿真Hyperlynx进行前仿真：确定信号的拓扑网络，端接方式；仿真后在PCB上进行元件放置和布线进行后仿真：根据PCB布线情况进行仿真，确定走线、端接是否达到设计要求。Candence仿真软件更牛，但不易使用3、时序计算PCI电路板时钟线：一般是走蛇形线，是为了时钟的延迟时间是个定值。高速电路对时序要求严格，根据布线可以确定信号的走线长度。满足下面两个方程的要求4、高速电路串扰电流环（天线）理论：当一个信号的电流回路比较大时，就形成天线，容易被其他信号干扰。（同样的磁感应强度磁通量较大）减小电流环面积：大面积铺铜作为地，采用就近接地原则差分电路：2个差分线的距离为2W（W为信号线的宽度）正常电路：2条线的距离为3W，也就是书上常说的“3W”原则差分线的放大器表示：树立质量法制观念、提高全员质量意识。7月-237月-23Monday,July17,2023人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。04:57:3204:57:3204:577/17/20234:57:32AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。7月-2304:57:3204:57Jul-2317-Jul-23加强交通建设管理，确保工程建设质量。04:57:3204:57:3204:57Monday,July17,2023安全在于心细，事故出在麻痹。7月-237月-2304:57:3204:57:32July17,2023踏实肯干，努力奋斗。2023年7月17日4:57上午7月-237月-23追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。17七月20234:57:32上午04:57:327月-23严格把控质量关，让生产更加有保障。七月234:57上午7月-2304:57July17,2023作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2023/7/174:57:3204:57:3217July2023好的事情马上就会到来，一切都是最好的安排。4:57:32上午4:57上午04:57:327月-23一马当先，全员举绩，梅开二度，业绩保底。7月-237月-2304:5704:57:3204:57:32Jul-23牢记安全之责，善谋安全之策，力务安全之实。2023/7/174:57:32Monday,July17,2023相信相信得力量。7月-232023/7/174:57:327月-23谢谢大家！树立质量法制观念、提高全员质量意识。7月-237月-23Monday,July17,2023人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。04:57:3204:57:3204:577/17/20234:57:32AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。7月-2304:57:3204:57Jul-2317-Jul-23加强交通建设管理，确保工程建设质量。04:57:3204:57:3204:57Monday,July17,2023安全在于心细，事故出在麻痹。7月-237月-2304:57:3204:57:32July17,2023踏实肯干，努力奋斗。2023年7月17日4:57上午7月-237月-23追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。17七月20234:57:32上午04:57:327月-23严格把控质量关，让生产更加有保障。七月234:57上午7月-2304:57July17,2023作业标准