PCB傳輸線的效應(yīng)問(wèn)題

PCB板在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中，工程師不僅需要做到將基板上的元器件進(jìn)行合理布局和設(shè)計(jì)，還需要保障PCB的走線信號(hào)完整性，而影響其信號(hào)完整性主要有反射、振鈴、地彈和串?dāng)_等現(xiàn)象。這就需要設(shè)計(jì)人員解決PCB傳輸線的效應(yīng)問(wèn)題。本文將會(huì)就這一問(wèn)題的產(chǎn)生原因和解決方法展開(kāi)簡(jiǎn)單總結(jié)。

這里以最基礎(chǔ)的PCB板為實(shí)際案例進(jìn)行說(shuō)明，一塊基礎(chǔ)的PCB板，其走線可等效為圖1所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。這里我們假設(shè)串聯(lián)電阻的典型值0.25Ω/ft—0.55Ω/ft，則并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的PCB連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗Zo。

圖1 PCB走線等效電路

在圖1所展示的PCB走線等效電路結(jié)構(gòu)中，如果基板上的傳輸線和接收端的阻抗不匹配，這樣的設(shè)計(jì)就會(huì)引起信號(hào)的反射和振蕩，影響信號(hào)傳輸。布線的幾何形狀、不正確的線端接，經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化，均會(huì)導(dǎo)致反射。而過(guò)沖和下沖是信號(hào)在電平上升沿和下降沿變化時(shí)產(chǎn)生的，會(huì)在瞬間產(chǎn)生高于或低于平穩(wěn)電平的毛刺，容易損壞器件。信號(hào)的振鈴和環(huán)繞振蕩分別是由線上不恰當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙菟鶓?yīng)起的。振鈴可以通過(guò)適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小。

在圖1所展示的這一PCB走線等效電路中，一旦有大的電流涌動(dòng)時(shí)則會(huì)迅速引起地彈，若有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過(guò)，芯片封裝與電源平面間的寄生電感和電阻就會(huì)引發(fā)電源噪聲。串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合問(wèn)題，信號(hào)線之間的互感和互容導(dǎo)致了線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

要解決這些影響PCB信號(hào)傳輸完整性的問(wèn)題，這就需要工程師采取的一些應(yīng)對(duì)措施。電源層對(duì)電流方向不限制，返回線可沿著最小阻抗即與信號(hào)線最接近的路徑走。這就可能使電流回路最小，而這將是高速系統(tǒng)首選的方法。但是電源層不排除線路雜波，不注意電源分布路徑，所有系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生噪聲造成錯(cuò)誤。因此需要特殊的濾波器，由旁路電容實(shí)現(xiàn)。一般一個(gè)1μF到10μF的電容放在板上電源輸入端，而0.01μF至0.1μF的電容放在板上每個(gè)有源器件的電源、地的管腳之間。旁路電容的作用就像濾波器，大電容（10μF）放在電源輸入端，濾除板外產(chǎn)生的低頻（60Hz）噪聲，板上有源器件產(chǎn)生的噪聲在100MHz或更高的頻率下會(huì)產(chǎn)生諧波，放在每個(gè)芯片之間的旁路電容通常比放在板上電源輸入端的電容小得多。

依據(jù)目前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，如果設(shè)計(jì)中采用的是模數(shù)混合的思路，那么就需要將PCB分區(qū)為模擬和數(shù)字部分，模擬器件放在模擬部分，數(shù)字器件放在數(shù)字部分，A/D轉(zhuǎn)換器跨區(qū)放置。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在各自區(qū)內(nèi)布線，保證數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地上。

在PCB基板上設(shè)置旁路和去耦也是一個(gè)很不錯(cuò)的方法，這樣做能夠防止能量從一個(gè)回路轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)回路，電源層、底線層、元器件和內(nèi)部電源連接3個(gè)回路區(qū)域需要重視。盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線>電源線>信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為0.2～0.3mm，最細(xì)寬度可達(dá)0.05—0.07mm，電源線為1.2—2.5mm。用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4～10個(gè)芯片配置一個(gè)1～10μF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kI-Iz～20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω，而且漏電流很小（0.5μF以下）。需要特別注意的是，去耦濾波電容器必須緊靠集成電路安裝，力求最短的電容器引線和最小的瞬態(tài)電流回路面積，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

最后需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，對(duì)于PCB系統(tǒng)工作在50MHz的情況，若產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)的完整性問(wèn)題，那么采取上文中所提到的幾種傳統(tǒng)措施可以達(dá)到比較滿意的效果。而當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到120MHz時(shí)，就需要考慮使用高速電路設(shè)計(jì)知識(shí)，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無(wú)法正常工作。