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1、 电磁兼容分层与综合设计法 2 2012年5月版本 为回报社会并答谢全国广大新老朋友的厚爱现以最新版本ppt为您免费讲课请联系 Email bty cattbai cattbai 白同云教材 电磁兼容设计 第二版 白同云编著北京邮电大学出版社 2011年6月出版 3 1 tr 600MHz当频率高于600MHz时 去耦电容器中存在的引线电感与电容器产生的自谐振 开始限制这一技术的频率范围 使去耦电容器失效 1987年YablonovitchE和JohnS提出了周期光子带隙结构 PhotonicBand GapPBG 即光子晶体的概念 所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播
2、即这种结构本身存在 禁带 它在接地板上腐蚀出由一定几何图形的单元组成的周期性阵列结构 用以改变衬底的有效介电常数分布 从而改变了传输线的分布参数模型 在一定频段内传播模式也随之改变 从而具有带隙特性 这一概念最初是在光学领域提出的 现在它的研究范围已扩展到微波波段 微波波段的带隙常称为电磁带隙 ElectromagneticBand GapEBG 光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向 光子晶体完全倚靠自身结构就可实现带阻滤波 抑制SSN噪声 且结构简单 在微波电路 微波天线等方面均具有广阔的应用前景 由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函数 因此光子晶体按照空间维度可以区分为一维光
3、子晶体 二维光子晶体和三维光子晶体 现代高速数字电路的同步开关噪声频带通常为100MHz到10GHz 为了有效消除如此宽频的噪声 人们已经采用许多种手段来拓展EBG结构的阻带 而大多数同步开噪声主要存在于低频段 因此如何降低阻带的下限截止频率 同时保持较宽的阻带带宽是设计的初衷 3 3矩形单位晶格阵列印刷电路板中的电源分配系统但是 由于PBG结构模型较复杂 参数也较繁杂 所以在实践应用上受到了一定限制 韩国学者J I Park等人在研究光子带隙结构基础上于1999年提出了缺陷接地结构 DefectedGroundStructure DGS 和光子带隙结构类似 缺陷接地结构也能使得微带线具有带隙
4、 bandgap 特性和慢波 slow wave 特性 从而可以被应用于 抑制SSN噪声 提高天线增益和带宽 改善效率 提高Q值 制作低通滤波器 功分器等方面 和EBG结构比较 DGS结构简单 易于电磁场理论分析和等效电路建模分析 更适于微波毫米波集成电路实际应用 这是因为 DGS结构仅由1个缺陷单元构成 它的带隙中心频率仅由该缺陷单元结构决定 而EBG结构是由若干个单元组成的阵列构成 它的带隙中心频率由阵列间距 排列方式和几何结构等诸多因素决定 现用扇形取代正方形 构造出形如蝴蝶结形的DGS结构的缺陷单元 如图所示 并应用于 抑制SSN噪声 虚线部分为蝴蝶结形DGS结构 用普通光刻工艺刻蚀在
5、接地板 或电源平面 上 该DGS结构的缺陷单元具有3个调整要素 即扇形半径L 扇形夹角 和连接2个扇形的缝隙宽度g 由于缺陷的存在 改变了电路板介质材料介电常数的分布 从而改变了微带线的有效电感和有效电容 使得由DGS构成的微带线表现出阻带特性 取其扇形半径L为1 5mm 扇形夹角 为60 缝隙宽度g为0 4mm 考虑抑制深度为 24 5dB时 由仿真曲线结果可知S21为18 36 33 50GHz 有效阻带带宽为15 14GHz 蝴蝶结形DGS结构各要素对阻带特性的影响如下 1 缝隙宽度g的影响取其扇形半径L为1 5mm 扇形夹角 为60 改变缝隙宽度g为0 2mm 0 4mm和0 6mm
6、对阻带特性的影响如图所示 对应的带隙中心频率分别为25 48GHz 33 50GHz和40 71GHz 随着缝隙宽度g的增加 带隙中心频率相应提高 这是因为 缝隙宽度g的增加 等效于有效电容减小 2 扇形半径L的影响取其缝隙宽度g为0 4mm 扇形夹角 为60 改变扇形半径L为1mm 1 5mm和3mm 阻带特性的影响如图 对应的带隙中心频率分别为44 51GHz 33 50GHz和24 46GHz 随着扇形半径L的增加 带隙中心频率相应降低 这是因为 扇形半径L的增加 缺陷面积增大 等效于有效电感增大 导致带隙中心频率降低 3 扇形夹角 的影响取其扇形半径L为1 5mm 缝隙宽度g为0 4m
7、m 改变扇形夹角 分别取30 60 和90 阻带特性的影响如图所示 对应的带隙中心频率分别为47 82GHz 33 50GHz和12 30GHz 随着扇形夹角 的增加 带隙中心频率相应降低 这是因为 扇形夹角 的增加 缺陷面积增大 等效于有效电感增大 导致带隙中心频率降低 图缝隙宽度g对阻带特性的影响图扇形半径L对阻带特性的影响 综上所述 可以通过改变L g和 实现不同要求的带隙中心频率 不同尺寸的DGS带阻特性总结于表所列 表不同尺寸的DGS微带线带阻特性总结 r 2 22 h 0 254mm 图扇形夹角 对阻带特性的影响 2 5高速电路板设计与信号完整性目前 国内外有关信号完整性 sign
8、alintegrity SI 的研究尚未成熟 其分析方法和实践都没有很好地完善 在基于信号完整性的PCB设计方法中 核心部分就是PCB板级信号完整性模型的建立 这是与传统设计方法的主要区别 SI模型的准确性将决定设计的正确性 而SI模型的可建立性则决定了设计方法的可行性 PCB是实现信号传输的通道 把信号从一个芯片传输到另一个芯片 PCB设计的好坏直接影响信号传输的性能 在高速系统中 能否处理好系统的信号互连 解决信号完整性的问题 是系统设计成功的关键 也是解决电源完整性 电磁兼容与电磁干扰 EMC EMI 问题的基础和前提 同时 因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得 所以
9、PCB应实现稳定的电源分配 此外 PCB还应能抑制EMI增强抗扰度 总之 PCB的SI PI EMC EMI性能面临越来越多的挑战 在PCB设计中 SI PI EMI是密切连系 相互影响的 高速信号前后沿所携带的高频分量 以及电源和地噪声引起的共模辐射 会引发EMI辐射 高速信号由于过孔换层或跨越电源面分割 造成的阻抗不连续 引起信号回流路径不理想 造成PI问题 PCB电源或地平面固有的谐振模式被激发也会引起S参数的变化 引起SI问题 EMI的传导和辐射骚扰也会造成电源波动或信号恶化 产生SI PI问题 所以 同时针对这三个方面进行考察和控制 是高性能PCB系统仿真和设计的必然趋势 1 高速电
10、路设计的特点高速电路设计强调无源元件 互连线 PCB IC封装等对信号传播的影响 振荡和反射 对信号间相互作用的影响 串扰 及对外界的作用 电磁骚扰 等 随着传输信号频率的提高 必须用电磁波的观点看待电路中传输的信号 高速电路系统工作于较高的时钟频率 信号传输的频率由信号的上升或下降沿决定 而不是由系统的时钟频率来决定 因此 导线就不能被看作是集总参数系统条件下的理想导线 而应被看作是具有分布参数系统条件下的传输线 必须考虑信号反射的影响 反射信号与入射信号的迭加使得信号波形发生畸变 上升或下降沿越小 信号传输时的频率就越高 这种不良作用就会越大 如果系统尺寸为S由tpd S tpdo当tr
11、6tpd或tpd tr 6则称为集总参数系统 反之 如果tr 6tpd或tpd tr 6则称为分布参数系统 参考书 HowardJohnson MartinGraham 高速数字设计 2传输线传输线是由信号路径和返回路径两条有一定长度的导线组成 而不再使用 地 这个词 信号可以被定义成电压或电流 信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差 如信号在走线上的传输延时tpdtpd tr 6或tr 6tpd则该走线判定为分布参数系统 即传输线 必须用电磁波的观点看待电路中传输的信号 传输线不是理想的导体 它们都有有限的电阻 电阻的大小由传输线的长度和横截面积决定 同样的在传输线之间的介质也不可
12、能是理想的绝缘体 漏电流总是存在的 可以用单位长度传输线的漏电导来衡量 此外 还存在电感和电容 1 传输线类型 传输线包括信号路径和返回路径 在中间层的印制线条形成带状线 在表面层形成微带线 两者传输特性不同 a 微带线 PCB外层的走线 只有一根带状导线和一个参考面 类型 埋式或非埋式 如果线的厚度 宽度 介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的 则它的特性阻抗也是可控的 b 带状线 介于两个参考面之间的内层走线 类型 埋式或非埋式 如果线的厚度 宽度 介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的 则它的特性阻抗也是可控的 带状线的场吸收能力强 抗骚扰能力强 适宜布设易被骚扰的模拟电路走
13、线 c 同轴电缆 Zc 75 时传输损耗最小 30 时承受功率最大 两者综合 选择50 d 双绞线 Zc 100 130 线路阻抗用 时域反射计 TDR 阻抗分析仪 VIA 网络分析仪 VNA 测试 0 0 2 传输线参数数字电路之间用来传输信号的路径称为互连线 tr越小 相应频率越高 互连线不再是简单的导线或信号线 而是由R L C G组成 呈现高频效应的传输线 a 传输线微分段等效电路模型 长度为dz的RLCG模型 Rdz 导体有限电阻引起的损耗 Gdz 分隔导体和地层的介质的有限电导引起的损耗 Ldz 磁场 Cdz 导体和地层之间的电场 b 特性阻抗Zc 线上任意点电压波和电流波的比值
14、即V I Zc 因此 Zc Z Y R j L G j C L C c 传输速度v 1 o o m s 传输延迟tpd s v ns 自由空间传播速度v0 1 o o 3 108 m s 单位长度传输延迟tpd0 1 v0 3 33 ns m 3 33 ps cm 填充特氟纶 r 2 1的同轴电缆 v v0 r 2 07 108 m s 单位长度传输延迟tpd0 1 v 4 8 ns m 48 3 ps cm FR 4PCB r 4 7 带状线 v v0 r 1 38 108 m s 单位长度传输延迟tpd0 1 v 7 2 ns m 72 3 ps cm 微带线由于部分位于空气中 部分位于电
15、介质中 介电常数平均值 r 1 4 7 2 2 85 传播速度v v0 r 1 777 108 m s 单位长度传输延迟tpd0 1 v 5 6 ns m 56 3 ps cm 也可按有效介电常数 r r 1 2 r 1 2 1 10h w计算 3 传输线效应传输线效应指的是 传输过程中的任何不均匀 如阻抗变化 直角拐角 都会引起信号的反射 反射的结果对模拟信号 正弦波 是形成驻波 对数字信号则表现为上升沿 下降沿的振铃和过冲 这种过冲一方面形成强烈的电磁干扰和对信号完整性的影响 例如 信号在不匹配的传输线两端来回反射形成振铃 上冲和下冲 因此 需要优化拓扑结构 调整互连线阻抗和端接阻抗 PC
16、B尺寸及板层参数 以满足信号完整性要求 单调性 噪声容限 振铃和多次跨越逻辑电平阈值 4 传输延迟和阻抗匹配信号从驱动端到达接收端 再由接收端回到驱动端的传输延时tpd 大于1 6上升或下降时间tr 即tpd tr 6或tr 6tpd为高速信号 反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端 如果反射信号很强 叠加后的波形就可能改变逻辑状态 该走线为分布参数系统条件下的传输线 反之 如果传输延时tpd小于1 6上升或下降时间tr 即tpd tr 6或tr 6tpd则为低速信号 来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端 叠加的波形不会改变逻辑状态 这种信号线可不作为传输线处理 而是集总参数系统条件下的理想导线 为了实现信号完整性 必须缩短S 并进行阻抗匹配 例如 必须缩短时钟线 而且 尽量不换层 以保持匹配 例 微带线由宽为100mil 位于厚62mil的FR 4 r 4 7 基板上 L0 0 335 H m C0 pF m 有效介电常数 r 3 54 特性阻抗Zc L0 C0 53 4 传播速度v v0 3 54 1 59 108m s 传输线总长S 20cm 单向时延tpd S v
