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经典的PCB设计问答Ⅳ

zhuzai
工程师
2015-03-14 14:24:29     打赏
Q： 如何估算特性阻抗。 

A     （1）能否提供一些经验数据、公式和方法来估算布线的阻抗。（2）当无法满足阻抗匹配的要求时，是在信号线的末端加并联的匹配电阻好，还是在信号线上加串联的匹配电阻好。（3）差分信号线中间可否加地线。 

1.以下提供两个常被参考的特性阻抗公式： 
a.微带线(microstrip) 
Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W为线宽，T为走线的铜皮厚度，H为走线到参考平面的距离，Er是PCB板材质的介电常数(dielectric constant)。此公式必须在0.1<(W/H)<2.0及1<(Er)<15的情况才能应用。 
b.带状线(stripline) 
Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中，H为两参考平面的距离，并且走线位于两参考平面的中间。此公式必须在W/H<0.35及T/H<0.25的情况才能应用。 
最好还是用仿真软件来计算比较准确。 

2.选择端接(termination)的方法有几项因素要考虑: 
a.信号源(source driver)的架构和强度。 
b.功率消耗(power consumption)的大小。 
c.对时间延迟的影响，这是最重要考虑的一点。 
所以，很难说哪一种端接方式是比较好的。 

3.差分信号中间一般是不能加地线。因为差分信号的应用原理最重要的一点便是利用差分信号间相互耦合(coupling)所带来的好处，如flux cancellation，抗噪声(noise immunity)能力等。若在中间加地线，便会破坏耦合效应。 

Q：     如何选择PCB板材?如何避免高速数据传输对周围模拟小信号的高频干扰,有没有一些设计的基本思路? 

    选择PCB板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。设计需求包含电气和机构这两部分。通常在设计非常高速的PCB板子(大于GHz的频率)时这材质问题会比较重要。例如，现在常用的FR-4材质，在几个GHz的频率时的介质损dielectric loss会对信号衰减有很大的影响，可能就不合用。就电气而言，要注意介电常数(dielectric constant)和介质损在所设计的频率是否合用。

避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离，或加ground guard/shunt traces在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。 

Q：     在电路板尺寸固定的情况下，如果设计中需要容纳更多的功能，就往往需要提高PCB的走线密度，但是这样有可能导致走线的相互干扰增强，同时走线过细也使阻抗无法降低，请专家介绍在高速（>100MHz）高密度PCB设计中的技巧? 

A     在设计高速高密度PCB时，串扰(crosstalk interference)确实是要特别注意的，因为它对时序(timing)与信号完整性(signal integrity)有很大的影响。以下提供几个注意的地方： 

1.控制走线特性阻抗的连续与匹配。 
2.走线间距的大小。一般常看到的间距为两倍线宽。可以透过仿真来知道走线间距对时序及信号完整性的影响，找出可容忍的最小间距。不同芯片信号的结果可能不同。 
3.选择适当的端接方式。 
4.避免上下相邻两层的走线方向相同，甚至有走线正好上下重迭在一起，因为这种串扰比同层相邻走线的情形还大。 
5.利用盲埋孔(blind/buried via)来增加走线面积。但是PCB板的制作成本会增加。 
在实际执行时确实很难达到完全平行与等长，不过还是要尽量做到。除此以外，可以预留差分端接和共模端接，以缓和对时序与信号完整性的影响。 

Q：    对于lvds低压差分信号，原则上是布线等长、平行，但实际上较难实现，是否能提供一些经验？贵公司产品是否有试用版？ 

  A    差分信号布线时要求等长且平行的原因有下列几点： 

1.平行的目的是要确保差分阻抗的完整性。平行间距不同的地方就等于是差分阻抗不连续。 
2.等长的目的是想要确保时序(timing)的准确与对称性。因为差分信号的时序跟这两个信号交*点(或相对电压差值)有关，如果不等长，则此交*点不会出现在信号振幅(swing amplitude)的中间，也会造成相邻两个时间间隔(time interval)不对称，增加时序控制的难度。 

3.不等长也会增加共模(common mode)信号的成分，影响信号完整性(signal integrity)。 

Q：    请问，模拟电源处的滤波经常是用LC电路。但是，我发现有时LC比RC滤波效果差，请问这是为什么，滤波时选用电感，电容值的方法是什么？ 

A     LC与RC滤波效果的比较必须考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是否恰当。 因为电感的感抗(reactance)大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声频率较低，而电感值又不够大，这时滤波效果可能不如RC。但是，使用RC滤波要付出的代价是电阻本身会耗能，效率较差，且要注意所选电阻能承受的功率。 电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外，还要考虑瞬时电流的反应能力。如果LC的输出端会有机会需要瞬间输出大电流，则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度，增加纹波噪声(ripple noise)。 电容值则和所能容忍的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容的ESR/ESL也会有影响。 另外，如果这LC是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时，还要注意此LC所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈控制(negative feedback control)回路稳定度的影响。 
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