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1.信号完整性:
PCB走线中途容性负载反射
很多时候,PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,必然对信号造成影响。
走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析,对起点和终点都有影响。
首先按看一下对信号发射端的影响。
当一个快速上升的阶跃信号到达电容时,电容快速充电,充电电流和信号电压上升快慢有关,充电电流公式为:
I=C*dV/dt。
电容量越大,充电电流越大,信号上升时间越快,dt越小,同样使充电电流越大。
我们知道,信号的反射与信号感受到的阻抗变化有关,因此为了分析,我们看一下,电容引起的阻抗变化。
在电容开始充电的初期,阻抗表示为:
这里dV实际上是阶跃信号电压变化,dt为信号上升时间,电容阻抗公式变为:
从这个公式中,我们可以得到一个很重要的信息,当阶跃信号施加到电容两端的初期,电容的阻抗与信号上升时间和本身的电容量有关。
通常在电容充电初期,阻抗很小,小于走线的特性阻抗。
信号在电容处发生负反射,这个负电压信号和原信号叠加,使得发射端的信号产生下冲,引起发射端信号的非单调性。
对于接收端,信号到达接收端后,发生正反射,反射回来的信号到达电容位置,那个样发生负反射,反射回接收端的负反射电压同样使接收端信号产生下冲。
转载请注明出处:
。
为了使反射噪声小于电压摆幅的5%(这种情况对信号影响可以容忍),阻抗变化必须小于10%。
那么电容阻抗应该控制在多少?
电容的阻抗表现为一个并联阻抗,我们可以用并联阻抗公式和反射系数公式来确定它的范围。
对于这种并联阻抗,我们希望电容阻抗越大越好。
假设电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k倍,根据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为:
阻抗变化率为:
,即
,也就是说,根据这种理想的计算,电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。
实际上,随着电容的充电,电容的阻抗不断增加,并不是一直保持最低阻抗,另外,每一个器件还会有寄生电感,使阻抗增加。
因此这个9倍限制可以放宽。
在下边的讨论中假设这个限制是5倍。
有了阻抗的指标,我们就可以确定能容忍多大的电容量。
电路板上50欧姆特性阻抗很常见,我就用50欧姆来计算。
得出:
即在这种情况下,如果信号上升时间为1ns,那么电容量要小于4皮法。
反之,如果电容量为4皮法,则信号上升时间最快为1ns,如果信号上升时间为0.5ns,这个4皮法的电容就会产生问题。
这里的计算只不过是为了说明电容的影响,实际电路中情况十分复杂,需要考虑的因素更多,因此这里计算是否精确没有实际意义。
关键是要通过这种计算理解电容是如何影响信号的。
我们对电路板上每一个因素的影响都有一个感性认识后,就能为设计提供必要的指导,出现问题就知道如何去分析。
精确的评估需要用软件来仿真。
总结:
1PCB走线中途容性负载使发射端信号产生下冲,接收端信号也会产生下冲。
2能容忍的电容量和信号上升时间有关,信号上升时间越快,能容忍的电容量越小。
2.信号完整性:
接收端容性负载的反射
信号的接收端可能是集成芯片的一个引脚,也可能是其他元器件。
不论接收端是什么,实际的器件的输入端必然存在寄生电容,接受信号的芯片引脚和相邻引脚之间有一定的寄生电容,和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容,另外引脚和信号返回路径之间也会存在寄生电容。
好复杂,这么多寄生电容!
其实很简单,想想电容是什么?
两个金属板,中间是某种绝缘介质。
这个定义中并没有说两个金属板是什么形状的,芯片两个相邻引脚也可以看做是电容的两个金属板,中间介质是空气,不就是一个电容么。
芯片引脚和PCB板内层的电源或地平面也是一对金属板,中间介质是PCB板的板材,常见的是FR4材料,也是一个电容。
呵呵,搞来搞去,还是回到了最基础的部分。
高手不要笑,太简单了。
不过确实很多人看到寄生电容就感到有点晕,理解不透,所以在这里啰嗦一下。
回到正题,下面研究一下信号终端的电容有什么影响。
将模型简化,用一个分立电容元件代替所有寄生电容,如图1所示。
图1
我们考察B点电容的阻抗情况。
电容的电流为:
随着电容的充电,电压变化率逐渐减小(电路原理中的瞬态过程),电容的充电电流也不断减小。
即电容的充电电流是随时间变化的。
电容的阻抗为:
因此电容所表现出来的阻抗随时间变化,不是恒定的。
正是这种阻抗的变化特性决定了电容对信号影响的特殊性。
如果信号上升时间小于电容的充电时间,最初电容两端的电压迅速上升,这时阻抗很小。
随着电容充电,电压变化率下降,充电电流减小,表现为阻抗明显增大。
充电时间无穷大时,电容相当于开路,阻抗无穷大。
阻抗的变化必然影响信号的反射。
在充电的开始一段时间,阻抗很小,小于传输线的特性阻抗,将发生负反射,反射回源端A点的信号将产生下冲。
随着电容阻抗的增加,反射逐渐过渡到正反射,A点的信号经过一个下冲会逐渐升高,最终达到开路电压。
因此电容负载使源端信号产生局部电压凹陷。
精确波形和传输线的特性阻抗、电容量、信号上升时间有关。
对于接收端,很明显,就是一个RC充电电路,不是很严谨,但是和实际情况非常相似。
电容两端电压,即B点电压随RC充电电路的时间常数呈指数增加(基本电路原理)。
因此电容对接收端信号上升时间产生影响。
RC充电电路的时间常数为
,这是B点电压上升到电压终值的
即37%所需的时间。
B点电压10%~90%上升时间为
如果传输线特性阻抗为50欧姆,电容量10pF,则10~90充电时间为1.1ns。
如果信号上升时间小于1.1ns,那么B点电压上升时间主要由电容充电时间决定。
如果信号上升时间大于1.1ns,末端电容器作用是使上升时间进一步延长,增加约1.1ns(实际应比这个值小)。
图2显示了终端电容负载对驱动端和接受端产生影响的示意图,放在这里,让大家能有个感性的认识。
图2
至于信号上升时间增加的精确值是多少,对于电路设计来说没必要,只要定性的分析,有个大致的估算就可以了。
因为计算再精确也没实际意义,电路板的参数也不精确!
对于设计者来说,定性分析并了解影响,大致估算出影响在那个量级,能给电路设计提供指导就可以了,其他的事软件来做吧。
举个例子,如果信号上升时间1ns,电容使信号上升时间增加远小于1ns,比如0.2ns,那么这么一点点增加可能不会有什么影响。
如果电容造成的上升时间增加很多,那可能就会对电路时序产生影响。
那么多少算很多?
看看电路的时序余量吧,这涉及到电路的时序分析和时序设计。
总之接收端电容负载的影响有两点:
1、 使源端(驱动端)信号产生局部电压凹陷。
2、 接收端信号上升时间延长。
在电路设计中这两点都要考虑。
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3.信号完整性:
PCB走线宽度变化产生的反射
在进行PCB布线时,经常会发生这样的情况:
走线通过某一区域时,由于该区域布线空间有限,不得不使用更细的线条,通过这一区域后,线条再恢复原来的宽度。
走线宽度变化会引起阻抗变化,因此发生反射,对信号产生影响。
那么什么情况下可以忽略这一影响,又在什么情况下我们必须考虑它的影响?
有三个因素和这一影响有关:
阻抗变化的大小、信号上升时间、窄线条上信号的时延。
首先讨论阻抗变化的大小。
很多电路的设计要求反射噪声小于电压摆幅的5%(这和信号上的噪声预算有关),根据反射系数公式:
可以计算出阻抗大致的变化率要求为:
。
你可能知道,电路板上阻抗的典型指标为+/-10%,根本原因就在这。
如果阻抗变化只发生一次,例如线宽从8mil变到6mil后,一直保持6mil宽度这种情况,要达到突变处信号反射噪声不超过电压摆幅的5%这一噪声预算要求,阻抗变化必须小于10%。
这有时很难做到,以FR4板材上微带线的情况为例,我们计算一下。
如果线宽8mil,线条和参考平面之间的厚度为4mil,特性阻抗为46.5欧姆。
线宽变化到6mil后特性阻抗变成54.2欧姆,阻抗变化率达到了20%。
反射信号的幅度必然超标。
至于对信号造成多大影响,还和信号上升时间和驱动端到反射点处信号的时延有关。
但至少这是一个潜在的问题点。
幸运的是这时可以通过阻抗匹配端接解决问题。
如果阻抗变化发生两次,例如线宽从8mil变到6mil后,拉出2cm后又变回8mil。
那么在2cm长6mil宽线条的两个端点处都会发生反射,一次是阻抗变大,发生正反射,接着阻抗变小,发生负反射。
如果两次反射间隔时间足够短,两次反射就有可能相互抵消,从而减小影响。
假设传输信号为1V,第一次正反射有0.2V被反射,1.2V继续向前传输,第二次反射有-0.2*1.2=0.24v被反射回。
再假设6mil线长度极短,两次反射几乎同时发生,那么总的反射电压只有0.04V,小于5%这一噪声预算要求。
因此,这种反射是否影响信号,有多大影响,和阻抗变化处的时延以及信号上升时间有关。
研究及实验表明,只要阻抗变化处的时延小于信号上升时间的20%,反射信号就不会造成问题。
如果信号上升时间为1ns,那么阻抗变化处的时延小于0.2ns对应1.2英寸,反射就不会产生问题。
也就是说,对于本例情况,6mil宽走线的长度只要小于3cm就不会有问题。
当PCB走线线宽发生变化时,要根据实际情况仔细分析,是否造成影响。
需要关注的参数由三个:
阻抗变化有多大、信号上升时间是多少、线宽变化的颈状部分有多长。
根据上面的方法大致估算一下,适当留出一定的余量。
如果可能的话,尽量让减小颈状部分长度。
需要指出的是,实际的PCB加工中,参数不可能像理论中那样精确,理论能对我们的设计提供指导,但不能照搬照抄,不能教条,毕竟这是一门实践的科学。
估算出的值要根据实际情况做适当的修订,再应用到设计中。
如果感觉经验不足,那就先保守点,然后在根据制造成本适当调整。
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4.信号完整性:
信号振铃是怎么产生的
信号的反射可能会引起振铃现象,一个典型的信号振铃如图1所示。
图1
那么信号振铃是怎么产生的呢?
前面讲过,如果信号传输过程中感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射。
这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是远端反射回来的反射信号。
根据反射系数的公式,当信号感受到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使信号产生下冲。
信号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果就是信号振铃。
大多数芯片的输出阻抗都很低,如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗,那么在没有源端端接的情况下,必然产生信号振铃。
信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。
假设驱动端的输出阻抗是10欧姆,PCB走线的特性阻抗为50欧姆(可以通过改变PCB走线宽度,PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整),为了分析方便,假设远端开路,即远端阻抗无穷大。
驱动端传输3.3V电压信号。
我们跟着信号在这条传输线中跑一次,看看到底发生了什么?
为分析方便,忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响,只考虑阻性负载。
图2为反射示意图。
第1次反射:
信号从芯片内部发出,经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB特性阻抗的分压,实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。
传输到远端B点,由于B点开路,阻抗无穷大,反射系数为1,即信号全部反射,反射信号也是2.75V。
此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。
第2次反射:
2.75V反射电压回到A点,阻抗由50欧姆变为10欧姆,发生负反射,A点反射电压为-1.83V,该电压到达B点,再次发生反射,反射电压-1.83V。
此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。
第3次反射:
从B点反射回的-1.83V电压到达A点,再次发生负反射,反射电压为1.22V。
该电压到达B点再次发生正反射,反射电压1.22V。
此时B点测量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。
第4次反射:
。
。
。
。
。
。
。
。
。
第5次反射:
。
。
。
。
。
。
。
。
。
如此循环,反射电压在A点和B点之间来回反弹,而引起B点电压不稳定。
观察B点电压:
5.5V->1.84V->4.28V->……,可见B点电压会有上下波动,这就是信号振铃。
图2
信号振铃根本原因是负反射引起的,其罪魁祸首仍然是阻抗变化,又是阻抗!
在研究信号完整性问题时,一定时时注意阻抗问题。
负载端信号振铃会严重干扰信号的接受,产生逻辑错误,必须减小或消除,因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接。
5.信号反射
信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。
对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。
如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。
那么有多少被反射回传输线的起点?
衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值。
反射系数定义为:
。
其中:
为变化前的阻抗,
为变化后的阻抗。
假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆,传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不考虑寄生电容电感的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系数为:
,信号有1/3被反射回源端。
如果传输信号的电压是3.3V电压,反射电压就是1.1V。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础,阻性负载的变化无非是以下四种情况:
阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗突然变为0)。
阻抗增加有限值:
反射电压上面的例子已经计算过了。
这时,信号反射点处就会有两个电压成分,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V。
阻抗减小有限值:
仍按上面的例子,PCB线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧姆,则反射系数为
,反射系数为负值,说明反射电压为负电压,值为
。
此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475V。
开路:
开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。
即反射电压3.3V。
反射点处电压为6.6V。
可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了。
短路:
短路时阻抗为0,电压一定为0。
按公式计算反射系数为-1,说明反射电压为-3.3V,因此反射点电压为0。
计算非常简单,重要的是必须知道,由于反射现象的存在,信号传播路径中阻抗发生变化的点,其电压不再是原来传输的电压。
这种反射电压会改变信号的波形,从而可能会引起信号完整性问题。
这种感性的认识对研究信号完整性及设计电路板非常重要,必须在头脑中建立起这个概念。
6.信号完整性:
多长的走线才是传输线
多长的走线才是传输线?
这和信号的传播速度有关,在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。
简单的说,只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间,PCB上的走线就应当做传输线来处理。
我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况。
假设有一段60英寸长的PCB走线,如图1所示,返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面,信号线和地平面间在远端开路。
图1
信号在这条走线上向前传播,传输到走线尽头需要10ns,返回到源端又需要10ns,则总的往返时间是20ns。
如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回路的话,返回路径上应该没有电流,因为在远端是开路的。
但实际情况却不是这样,返回路径在信号上后最初的一段时间有电流。
在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号,在最初的1ns时间,信号还线条上只走了6英寸,不知道远端是开路还是短路,那么信号感觉到的阻抗有多大,怎么确定?
如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾,所以,必须按传输线处理。
实际上,在信号线条和返回地平面间存在寄生电容,如图2所示。
当信号向前传播过程中,A点处电压不断不变化,对于寄生电容来说,变化的电压意味着产生电流,方向如图中虚线所示。
因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻抗,寄生电容构成了电流回流的路径。
信号在向前传播所经过的每一点都会感受到一个阻抗,这个阻抗是变化的电压施加到寄生电容上产生的,通常叫做传输线的瞬态阻抗。
图2
当信号到达远端,远端的电压升至信号的最终电压后,电压不再变化。
虽然寄生电容还是存在,但是没有电压的变化,电容相当于开路,这对应的就是直流情况。
因此,这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样,在起始一小段时间内,表现就是传输线。
即使传输线远端开路,在信号跳变期间,传输线前段的性能也会像一个阻值有限的电阻。
7.信号完整性:
特性阻抗
当信号在传输线上传播时,信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关,可表示为:
。
如果PCB上线条的厚度和宽度不变,并且走线和返回平面间距离不变,那么信号感受到的瞬态阻抗就不变,传输线是均匀的。
对于均匀传输线,恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性,称为特性阻抗。
如果PCB上线条的厚度增大或者宽度增加,单位长度电容增加,特性阻抗就变小。
同样,走线和返回平面间距离减小,电容增大,特性阻抗也减小。
一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗,也叫自由空间的波阻抗,在EMC中非常重要。
自由空间特性阻抗为
。
对于常见的FR4板材的PCB板上,
特性阻抗的典型结构如图所示。
对于微带线,线宽W是介质厚度h的2倍。
对于带状线,线条两侧介质总厚度b是线宽W的两倍。
图1
FR4板材的PCB板上,特性阻抗传输线另一个特性是:
单位长度电容=3.3pF/in
单位长度电容=8.3nH/in
图2
了解这些特殊的特性阻抗,对于设计电路板有一定的参考意义,能让我们在制作电路前有个直觉的认识。
精确地特性阻抗计算需要用场求解器。
推荐用PolarInstruments的SI9000软件,大名鼎鼎,绝对精品。
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9.电源完整性:
电容的去耦时间
电容的去耦时间
在电源完整性设计一文中,推荐了一种基于目标阻抗(targetimpedance)的去耦电容设计方法。
在这种方法中,从频域的角度说明了电容选择方法。
把瞬态电流看成阶跃信号,因而有很宽的频谱,去耦电容必须在这个很宽的频谱内使电源系统阻抗低于目标阻抗(targetimpedance)。
电容的选择是分频段设计的,每一种容值的电容负责一段频谱范围,超出这个范围的,由其他电容负责构成低阻抗路径。
有些人可能对这种频域方法有些困惑,本文从另外一个更直观的角度来说明去耦电容的这种特性,即电容的去耦时间。
构成电源系统的两个重要部分:
稳压电源、去耦电容。
首先说说稳压电源的反应时间。
负载芯片的电流需求变化是极快的,尤其是一些高速处理器。
内部晶体管开关速度极快,假设处理器内部有1000个晶体管同时发生状态翻转,转台转换时间是1ns,总电流需求是500mA。
那么此时电源系统必须在1ns时间内迅速补充上500mA瞬态电流。
遗憾的是,稳压源在这么短的时间内反应不过来,相对于电流的变化,稳压源显得很迟钝,有点像个傻子,呵呵。
通常说的稳压源的频率响应范围在直流到几百k之间,什么意思?
这从时域角度可能更好理解。
假设稳压源的频率响应范围是直流到100kHz,100kHz对应时域的10us时间间隔。
也就是稳压源最快的响应速度是10us,如果负载芯片要求在20us内提供所需的电流,那么稳压电源有足够的反应时间,因此可以提供负载所需要的电流。
但是如果负载电流要求的时间是1ns的话,对稳压电源来说太快了,稳压源还在那发呆呢,瞬态电流的需求已经过去了。
负载可不会等着稳压源来做出反应,不能给它及时提供电流,他就把电压拉下来,想想,功率一定,电流大了,电压必然减小。
哦,这就产生了轨道塌陷,噪声产生了。
因此,所说的频率响应范围,在时域对应的是一个响应时间问题。
电容也同样存在响应时间。
电源要10us才能反应过来,那从0到10us之间这段时间怎么办?
这就是电容要干的事。
按电源完整性设计一文中,加入一个31.831uF电容,能提供100kHz到1.6MHz频段的去耦。
从时域来说,这个电容的最快反应时间是1/1.6MHz=0.625us。
也就是说从0.625us到10us这段时间,这个电容就可以提供所需电流。
稳压电源发呆就发呆吧,别指望它了,电容先顶上,过10us后再让稳压源把活接过来。
从0.625us到10us这段时间就是电容的有效去耦时间。
加一个电容后,电源系统的反应时间还是很长,625ns,还是不能满足要求,那就再加电容,放一些很小的电容,比如13个0.22uF电容,提供1.6MHz到100MHz的去耦,那么这13个小电容最快反应时间为1/100MHz=1ns。
如果有电流需求,1ns后这些小电容就做出反应了。
通常这个反应时间还不够,那就在加一些更小的电容,把去耦频率提到500MHz,反应时间可以加快到200ps,一般来说足够了。
不同电容产生去耦作用,都需要一定的时间,这就是去耦时间。
不同的去耦时间对应不同的有效去耦频率段,这就是为什么去耦电容要分频段设计的原因。
这里给出的是一个直观的解释,目的是让你有一个感性的理解。
有一点要特别注意,从信号的角度来说,瞬态电流有很宽的带宽,要想很好的满足电流需求,必须在他的整个带宽范围内都提供去耦,才能满足波形的要求。
不要认为稳压源反应慢,就认为它没干活,这是不对的,稳压源对瞬态电流中的低频成分还是起作用的。
电流由很多频率成分组成,稳压源、大电容、小电容、更小的电容分别负责补偿瞬态电流中不同频率的部分,这些作用合成在一起,才能产生一个类似阶跃信号的补偿电流。
电源系统设计要物尽其用,稳压源、大电容、小电容、更小的电容各司其职,协同工作,这个团队能否很好的合作,就看你的管理能力了。
努力学习,做好的管理者,别光想着管理这些电容啊,呵呵!
不过对技术出身的我们,先管好这些无生命的东西,打好基础才行啊。
于博士祝大家尽快迈过技术这道门槛,有时间多来我的网站看看,早日走上事业快车道。