在非常高的频率下,每条走线、每个引脚都是RF发射极和接收器。若非精心设计布局,干扰信号极易掩盖那些设计人员想要处理的信号。设计选择先从架构大局考虑,逐步细化至亚毫米量级的走线。有一些经过实际尝试和验证的技巧可以帮助管理这样的流程。 本资料讲述了真实系统设计的实际问题,以及尽量减少RF环境下信号衰减的方法。 实现更高信号处理性能的高级技术需要注意哪些 PCB布局 原理图 关键元件定位和信号布线 电源旁路 寄生效应、过孔和放置 接地层 高速电路的性能与电路板布局密切相关 PCB布局是设计流程的最后步骤之一,往往未得到足够的重视,而高速电路的性能与电路板布局密切相关。这里我们将介绍一些实用的布局原则,它们有利于: 完善布局流程 帮助确保电路的预期性能 缩短设计时间 降低设计成本 良好的布局要以出色的原理图为基础 表示实际电路连接 生成用于布局的NetList 能更清楚地表示功能吗? 其他人能够理解电路 能显示信号路径吗? 协助布局 协助故障排除、调试 表示功能 可增加认知价值 就如房地产一样,位置决定一切 电路板上的输入/输出和电源连接一般都是既定的 元器件的位置和信号路由需要谨慎考虑、细致规划 更好的方法 使用GND和PWR层减少回路R和L。 使用独立的AGND和DGND层可最大程度降低AGND层的数字耦合。 功能划分 对功能相关的元器件分组。 将功能配合信号路径放置。 首先通过输入和输出,沿信号路径进行功能布局。 然后实现功能之间的连接。 两个输入。二者确保平衡。 增益和反馈。二者确保对称。 输出。二者确保对称。 电平转换接入信号路径。二者确保对称。 辅助功能。 关键信号路径尽量短。 关键信号路径采用备用路径,保持平衡。 小型封装 更佳的高频响应 紧凑的布局 更低的封装寄生效应 低失真引脚排列(专用反馈) 紧凑的布局 流线型信号流 更低失真 PCB设计 丝印 印有组装和/或元器件ID信息。 仅提供信息。不影响性能。非必须。 信息包括文字、线条、形状。 若信息放置的位置未经仔细考虑,信息将毫无用处。 线条最小宽度 = 5密耳(0.127 mm) 文字的高度与线条宽的比值应大于12,以便文字可辨认。 不要将文字放在过孔、孔洞、接合焊盘位置。 接合焊盘之间保持最小距离。 各厂商产品质量有所不同,边沿尖利到肮脏都有可能。 屏蔽层 保护铜片不受环境影响。 最大程度降低焊锡桥接仔细设计可防止桥接。 一定程度上影响PCB性能。 不需要。对延长PCB寿命起关键作用。极大地提升PCB装配成品率。 通常为绿色其他一些受欢迎的颜色有黑色、蓝色、红色、白色。 铜片 可以是信号层或板层。 通常是一个1.4密耳(0.04 mm)的厚铜板。可以更厚。 蚀刻以形成信号走线和接合焊盘。 最小走线宽度为4密耳(0.1 mm)。 两个对象之间的最小空间要求为4密耳(0.1 mm)。 与附近的其他铜板构成电容。 具有电感。 常见通用材料。 无铅焊接的高温版本 高介电常数:4.7-4.2。产生高寄生电容 额定值为1 GHz 受控阻抗走线一致性尚可,但并非最佳 Rogers – PTFE类型 良好的高频、高温材料 低介电常数。2.2及以上。可降低寄生电容 成本高 良好的阻抗一致性 额定值为10 GHz 许多其他厂商。某些厂商性能规格与上述类似。 接合焊盘尺寸 通常比元器件焊盘大30%。 可使用烙铁 可目测检查焊点 可接受具有较大定位误差的元器件 增加寄生电容 – 降低有效可用频率 增加焊锡桥接的可能性 需要更多电路板空间 最低尺寸超标值:比元器件焊盘大0-5%。 保持机械强度 元器件和PCB 之间的接触区域不变 降低寄生电容 – 保持 更高的可用频率 减少所需电路板空间 焊盘形状 通常为矩形带尖角 圆角允许焊盘至走线间隔更 紧密。减小电路板尺寸。 信号布线 使用GND和PWR 使用“焊盘过孔”法将焊盘与层相连,可最大程度降低寄生效应 将功能模块的元器件尽可能靠近放置 手动放置时,0.5 mm的器件间隔便已足够 最大程度减少信号走线上的过孔,越少越好 保证同一个功能模块中的走线位于同一层。 使用隔板电容进行旁路 保持相邻板层之间尽可能靠近 避免不必要的过孔穿透板层。 避免挖空板层 尽量保持走线笔直 尽可能减少转向和转弯 串扰和耦合 容性串扰或耦合 源于上下平行走线,结果形成寄生电容 解决办法是垂直走线,减少走线耦合和面积 感性串扰 感性串扰源于长距离并行走线之间磁场的交互作用 感性串扰分为两类:正向和逆向 逆向串扰指离受影响走线上的驱动器最近的噪声 正向串扰指离所驱线路上的驱动器最远的噪声 通过以下方式尽量减少串扰 增加走线间隔(改进隔离) 使用防护走线 使用差分信号 旁路是确保高速电路性能的必要手段 把电容置于电源引脚处 电容提供低阻抗交流回路 为快速上升/下降沿提供局部电荷存储空间 尽量缩短走线长度 靠近负载回路 有助于减少接地层中的瞬态电流 价值 单个电路的性能 使交流阻抗保持于低位 多次谐振 铁氧体磁珠 寄生效应会导致性能下降和失真 内部或底部板层 形成隔板电容,其下有电源层(未显示)。 间距 较长的距离可消除与其上受控阻抗层的相互影响。 受控阻抗层 顶部信号层的走线,与该层之间的距离形成传输线,具有特性阻抗。 顶部(信号)层 走线为传输线路,具有特性阻抗 具有信号走线和元件接合焊盘。 顶部焊接屏蔽 可影响特性阻抗 过孔放置 0603 和0402 C = 电容 RP = 绝缘电阻 RS = 等效串联电阻(ESR) L = 引脚和层板的电感 RDA = 电介质吸收 CDA = 电介质吸收 R = 电阻 CP = 并联电容 L= 等效串联电感(ESL) 寄生电容为1.5pF时的频率响应 反相输入端 1pF附加寄生电容 1.5dB尖脉冲 不稳定,振荡 寄生电感仿真原理图 振荡显示了高速运算放大器同相输入端长度为2.54cm的走线的影响 其等效电感约为29nH,足以造成持续的低压振荡 接地层和电源层 共同参考点 屏蔽 降低噪声 减少寄生效应 散热 功率分布 高值电容 不存在100%有效的单一接地方法! 各PCB板必须至少有一层专用于接地层! 尽量增加接地层,尤其是在高工作频率的走线下方 尽量使用可行的厚金属(降低电阻、增进散热) 使用多个过孔将相同的接地层连在一起 开始设计布局时,为模拟和数字接地层设置专用层,仅在必要时分离 遵循混合信号器件数据手册提出的建议。 使旁路电容和负载回路尽量靠近,以降低失真 为模拟和数字接地层的连接提供跳线选项 总结 高速PCB的设计需要深思熟虑、注重细节 在原理图上提供尽量多的信息 元件在电路板上的位置就像整个电路的定位一样重要 设计电路板布局时要有预见性,切勿听天由命 在电源旁路中使用多个电容 必须考虑并处理好寄生效应 接地层和电源层在降低噪声、减少寄生效应方面发挥着关键作用 新型封装和引脚排列有利于改善性能、提高布局的紧凑性 信号分布有多种方式可供选择,切记选择适用的方式 检查布局时千万要仔细 |
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