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PCB设计传输线问题


浅论高速PCB设计中传输线问题

当今社会,随着嵌人式集成化的电子产品越来越智能,电子设计产品相应的也越来越复杂,其复杂程度与以往相比大幅度提高。作为从事电子系统设计的工作人员无可避免都要面对100MHZ以上的电路设计。如果电路工作频率低于50MHZ时,在布线方面设计难度并不高,一旦工作频率超过了50MHZ,其在传输过程中,产品自身的信号相互干扰,将产生一系列的问题;尤其电路工作频率超过了120MHZ时,就必须要对高速电路设计有相当程度的认识。正因如此,一名合格的电子设计师就必须掌握高速电路设计技术,从而实现自己的电子产品设计意图。

一、高速电路

通常我们认为在电路处理的信号频率达到一定频率,从而导致传输线对该频率表现的阻抗已经对信号产生了影响,我们称这种电路为高速电路。在高速电路当中,信号从驱动端发送,当信号的传输时间满足某种条件后,有可能产生较强的反射信号,以至于叠加波形就可能改变逻辑状态。而信号传输时间由PCB设计中的实际布线长度所决定。通常情况下,高速电路中信号的传送时间每厘米的延时大约为0.066ns。但是在过孔较多,器件管脚较多等情况下,延时也会相应加大。

二、什么是传输线

电路中判断信号线是否为传输线,取决于其可容忍的失真量。比较宽松的规定认为如果一条信号线的传输时间小于4倍延迟时间的时候,那么这条信号线认为是传输线,也就是说Tr/T≥4。

三、传输线效应

一般传输线效应是指——高频电磁波在导电介质中传输(比如PCB板内线路,通讯的电缆等)过程中,发生的信号反射、干涉、振铃效应、天线效应、衰减、叠加等各种信号畸变的情况。在高速电路中,由于信号边沿的谐波频率较高,致使产生传输线效应,所带来的效应如下所示。反射信号Reflectedsignals;延时和时序错误Delay&Timingerrors;多次跨越逻辑电平门限错误FalseSwitching;过冲与下冲Overshoot/Undershoot;串扰InducedNoiseorcrosstalk);电磁辐射EMIradiation。

(1)反射信号。当信号传送到终端,终端又不匹配时,信号就会在终端反射回来,这就是传输线效应中的反射信号现象。如果在系统设计过程中没有充分考虑到这种情况,而反射信号又达到了一定程度,就可能造成信号本身的逻辑失真,致使整个系统设计失败。反射信号产生的主要原因:过长的走线;未被匹配终结的传输线,过量电容或电感以及阻抗失配。

(2)延时和时序错误。当信号的逻辑电平应该由高变低或者由低变高时,没有及时变化,而是保持了一段时间,这就是延时和时序错误。这种现象可能会造成时序错误和器件功能混乱。通常情况下,出现多终端的时候就会产生这种现象,所以在设计时也应充分考虑到这种情况。其产生的原因:驱动过载,走线过长。

(3)多次跨越逻辑电平门限错误。这类错误是因为信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限,这也是一种特殊的信号振荡形式,这种信号的振荡幅值在逻辑电平门限左右,当多次跨越逻辑电平门限的时候就导致了逻辑功能混乱。反射信号产生的原因:走线过长,传输线没有合理的匹配,过量电容或电感以及阻抗失配。

(4)过冲与下冲。当过长的走线或者信号频繁变化时,就会造成过冲与下冲。通常情况下,大多数元件接收终端都有二极管输入保护,可是有时过冲产生的电平会远远超过元件电源电压范围,致使元器件损坏。

(5)串扰。串扰是指一根在电路板中,有信号通过的信号线会致使相邻的信号线产生先关的信号。在设计中,我们通常让信号线之间间距大一些,离地线近一些,这样可以有效的避免串扰信号。

(6)电磁辐射。EMI(Electro—MagneticInterference)~/J电磁干扰,产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时,会对周围环境辐射电磁波,从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。

四、避免传输线效应的方法

以上这些传输线效应会对电路设计目的产生严重影响,所以在设计电路过程中要有效的避免这些干扰。常有的方法有:a.严格控制关键网线的走线长度;b.合理规划走线的拓扑结构.c.抑止电磁干扰的方法;d.其它可采用技术,如在集成电路的外围电路添加去耦电容,而且需要直接连接在集成电路的电源管脚,这样可以较少电源毛刺和电环环路辐射;将一些高速和高功耗的元件尽量放置在一起,从而减小电源电压瞬时过冲;还可以在电路设计过程中,可以适当加入一些屏蔽,过滤,避免环路等手段,设计目标要求允许的情况下尽量的降低电路工作频率等方法减小EMI。

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