高速电路设计

1、培训,高速数字电路设计 及EMC、EMI考虑,介绍,主题: 1.高速电路设计；2.EMC、EMI考虑 本次讲座中将介绍到的内容： 1.微带线、带状线的设计概念 2.常见的电路匹配措施 3.高速电路设计的一般原则和调试方法 电磁兼容考虑 （下一次交流）,第一个主题： 高速电路设计,高速数字信号的概念 1.高速数字信号由信号的边沿速度决定 2.上升时间小于4倍信号传输时延可视为高速信号 3.另一个角度理解：非稳定时间在1/4周期以上,第二个主题：微带线、带状线的设计概念,2.1微带线（Microstrip） 2.2带状线（Stripline） 2.3印制板的经验设计数据 2.4同轴线（Coaxia

2、l Cable） 2.5双绞线（Twisted-pair Cable）,2.1微带线（Microstrip）,微带线的模型： 微带线的决定参数：W,t,h,r 微带线的相关参数：特征阻抗、传输延迟、固有电容、固有电感（见下一页）,规律：微带线传输延迟只与板材的介质参数和线长有关，而与板厚、线宽、特征阻抗等无关。 经验参数：微带线的传输延迟为0.145nS/inch,2.2带状线（Stripline）,带状线的模型： 带状线的决定参数：W,t,h,r 带状线的相关参数：特征阻抗、传输延迟、固有电容、固有电感（下一页）,规律：带状线传输延迟只与板材的介质参数和线长有关，而与板厚、线宽、特征阻抗等无

3、关。 经验参数：带状线的传输延迟为0.185nS/inch,2.3印制板的经验设计数据,常用印制电路板的材料：FR-4（r在4.55之间） 75微带线：wh；50微带线：w2h；25微带线：w3.5h； 75带状线：w0.125h；50带状线：w0.333h； 双面电路板一般厚度：1.68mm（66mil），铜层厚度：0.05mm（2mil） 四层板一般总厚度（中间厚，两边薄型）：1.58mm（62mil），中间厚度：0.9mm（35mil） 上下夹层厚度：0.33mm（14mil），铜皮厚度：0.05mm（2mil）,印制板常用地微带线特征阻抗参考设计表,2.4同轴线（Coaxial Cab

4、le）,同轴线的模型： 同轴线的决定参数：d1,d2,r,同轴线的相关参数：特征阻抗、传输延迟 规律：同轴线传输延迟只与电缆的介质参数和线长有关，而与线内径、线外径、特征阻抗等无关。线外径越细，特征阻抗越小；线内径越细，趋肤效应越明显。 经验参数：一般的宽频同轴线一空气为介质，50同轴线外径/内径2.3，75同轴线外径/内径3.5。插入介质时，可以将同轴线的外径减少，但增加了插入损耗，限制了频带。常用50同轴线使用空心骨架方法，75同轴线使用插入介质的方法。,2.5双绞线（Twisted-pair Cable）,双绞线的模型： 双绞线的决定参数：d,S,r,双绞线的相关参数：特征阻抗、传输延迟

5、 规律：双绞线传输延迟只与电缆的介质参数和线长有关，而与线内径、线间距离、特征阻抗等无关。 经验参数：一般双绞线特征阻抗为100，胶合的越紧密，特征阻抗越均匀；平行线也可以看作是一种松胶合的双绞线，一般电视上的平行线特征阻抗为300,第三个主题：常见的高速数字电路,常见的高速数字电路有 ECL（Emitter Coupled Logic）、 CML（Current Mode Logic）、 GTL（Gunning Transceiver Logic）、 BTL（Backplane Transceiver Logic）、 TTL（Tansistor Tansistor Logic）、 HCMOS

6、（High-speed Complementary Metal Oxide Secmiconductor）、 LVDS（Low Voltage Differential Signaling） 等等 而我们设计中常用到的是后面三种,3.1高速TTL电路,驱动能力强，高电平输出电流可达32mA，低电平灌入电流可达64mA；高电平输出电阻一般为30，低电平输出阻抗低达10以下。 有阻尼输出现象（输出匹配电阻大概33左右），高低电平电流均为12mA。 速度较快，上升时间在几个nS范围内，触发翻转频率可达100MHz以上，但是pin to pin时延常在10nS左右。 常用的高速TTL器件一般为AC、F

7、、ACT、AL、等系列，F系列速度最高，但功耗也最大，带T的系列是低压3.3V器件。,3.2高速HCMOS电路,驱动能力较强，电平范围可达电源电压，高低电平驱动能力均等，输出阻抗在几个到20之间。 阻尼现象不明显（输出匹配电阻有传输线特征阻抗决定） 速度快，上升时间在1、2nS到10、20nS都有，速度差异较大。 常用的HCOMS器件有74HC、HCT、HCU。带T的系列是低压3.3V器件，带U的系列是输出不带缓冲的。一般的专用芯片输入输出均采用HCOMS电路来达到降低功耗的目的，而HCOMS电路的输入都兼容TTL电平输入。,3.3高速LVDS电路,LVDS电路是采用差分形式平衡传输极高速的数

8、字信号。 为了降低相互干扰，采用了低压传输技术和终端匹配技术，达到一对普通双绞线上传输的EMC、EMI最佳、最快、最省传输媒体成本的传输方案， 但是LVDS驱动芯片的价格都不低。,第四个主题：常见的电路匹配措施,4.1电路适配、失配概念 电路匹配的目的 、 反射现象的产生 电路不匹配的后果 4.2终端匹配措施 4.3源端匹配措施,4.1电路适配、失配概念,电路匹配的目的：防止各种反射现象，使得接收端在一定的噪声容限下可以接受信息。 反射现象的产生：传输过程中任何的不均匀现象，如阻抗变化、直角走线等都会引起信号在传输线上来回反射。反射的结果对模拟信号的表现是形成驻波，对数字信号表现为沿跳地方的振

9、铃和过冲。 电路不匹配的后果：形成强烈的电磁干扰，经常出现数据误判现象，严重的话对输入器件会造成永久性的损坏。,振铃和过冲 反射原理,反射现象的产生,4.2终端匹配措施,终端匹配的原则是使得终端负载电阻尽量接近传输线的特征阻抗。 直流匹配方法： 使得传输终端的上升、下降沿均匀匹配，适用于非周期信号。,使得传输终端某一频率范围内负载均匀，适用于时钟信号等周期性较强的信号. 对于周期性不强的信号（如帧脉冲），不建议使用交流匹配措施,交流匹配方法：,差分信号的终端匹配方法：,差分直流匹配 差分交流匹配,4.3源端匹配措施,源端匹配的原则是使得信号源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗接近。避免反射回来的信

10、号进入源端器件。 匹配方法： 一般器件有自己的输出电阻，所以串入电阻R一般小于Z0,第五个主题：高速电路设计的一般原则和调试方法,5.1同步逻辑设计 5.2适当的引入失配 5.3对极高速的信号采用对称传输 5.4了解每一根高速信号的电流环路 5.5信号布线是否满足微带线、带状线条件 5.6重视电源滤波 5.7沿跳信号考虑走线延时 5.8高速信号测试方法 5.9噪声容限的概念 5.10地反弹现象 5.11连接器件对高速系统的影响,5.1同步逻辑设计,高速逻辑电路的最有设计：尽量使用一个同步系统时钟来产生各种逻辑，尽量避免依赖于时延来设计系统，避免采用异步逻辑设计。 输入输出建议使用同步时钟进行采

11、集；内部状态机制全部使用同步跳转；时钟切换使用互锁电路，避免毛刺产生；功能屏蔽使用ENA信号，不能在时钟端作与或逻辑。 有问题的同步电路 建议使用的同步控制,5.2适当的引入失配,了解器件的输入、输出结构（IBIS模型），选用适当的匹配电路的同时，考虑节省功耗和一定的电路噪声容限下，可以适当的引入失配。 在考虑功耗的情况下可以引入一定的失配，取R1/R2=1.5Z0，即符合TTL的噪声容限，又可节省一定功耗。,5.3对极高速的信号采用对称传输,一般极高速信号频率范围：100MHz以上，建议选用互补对称逻辑，以降低对电源的要求。 原因：高速信号非平衡传输对电源地平面噪声影响大。,5.4了解每一根

12、高速信号的电流环路,对高速信号地回流路径分析。 原则：回流面积越小干扰越少。 1.对于低频信号，电流流经电阻最小的路径（直线路径） 2.对于高频信号，电流回流经过电感最小的路径（也就是环路面积最小的路径，最小电感回流路径正好在信号导线下面）,高频信号和低频信号的回流路径,高低频信号回流比较 高频电流回流密度 高频回流电流 的相互干扰,5.5信号布线是否满足微带线、带状线条件,注意信号布线模型类型，高速信号要有回流地相配（不是屏蔽地） 微带线一般使用在双面板、四层板 带状线只用于6层板或者8层板，4层板不建议使用 信号布线注意特征阻抗 器件输如注意串联匹配电阻作保护，特别是板间连接（使用排线连接

13、型的）,5.6重视电源滤波,去耦电容和隔离电感的布局位置和参数选择要谨慎。 芯片间使用低阻抗的地平面连接 电源引线尽量短而粗 电源和地平面之间应该满足交流低阻通路条件，使用适当的旁路电容 在大电流电源线上串接共模扼流圈（Common Mode Choke）抑制共模干扰 电源走线与地平面平行，中间避免形成电源环路布线,5.7沿跳信号考虑走线延时,在满足速度要求的情况下，尽量选择速度低一点的（沿跳时间长的）， 高速信号走线时延对沿跳信号的影响主要是引起相位抖动，造成沿跳到达每个器件的时间不同时。 沿跳敏感的信号注意走线，建议走圆角 注意满足传输线条件 同时注意屏蔽措施,5.8高速信号测试方法,选用

14、50输入阻抗的测量设备，宽频带的探头（10档比1档频带要宽）来测量高速信号。 选择好测量点，不同的测试点位置测量结果有所不同。 注意测试的接地点选择，越靠近测试点的地平面越好 注意仪器的增益带宽级，频率越高放大不能越大,5.9噪声容限的概念,容限是为了补偿数字信号在实际系统中不够理想的传输和接收。 产生原因： 1 直流电流在不同器件的地平面之间会形成电位差，因此发送接收器件都有一定的参考地电位差。 2 高速回流电流在地平面电感上会产生突发地电压降，引起器件间地电势差。 3 相邻信号线通过电容耦合或者互感引入串扰，叠加在接收器件上。 4 传输中振铃、反射等使得信号畸变。 5.某些器件地阈值电压会随温度、适度变化。,噪声容限示意图：,5.10地反弹现象,概念：由于输出的高速开关引起内部参考地平面的电压偏移。 影响：对发送影响不大，主要影响接收器件，相当于叠加在输入信号上的一个噪声信号。 几种封装型号的引线电感举例：,减少地反弹的方法：,降低开关速度。 增加地引线，特别是芯片内部多个地线引出引脚，在印制板上分开接地。 对输入电路分配一个地参考引脚（一般高速芯片接口都有） 采用差分输入方式,5.11连接器件对高速系统的影响,连接器件要注意以下事项： 互感（引起串扰）、串连电感（引起时延）、寄生电容（引起畸变） 接插件的选择，传输线的选型，板间、机子之间的地连接。 信号