《邵小桃-电磁兼容和PCB设计Chp7培训讲学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《邵小桃-电磁兼容和PCB设计Chp7培训讲学（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 7 章 阻抗控制和布线,电磁兼容与PCB设计,元件的布局 阻抗控制 走线长的计算 PCB板的布线要点 多层板的叠层设计,本章内容,7.1 元件的布局,要考虑PCB尺寸大小。 电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2成4：3。 确定PCB尺寸后再确定特殊元件的位置。 在通常情况下，元件都应布置在PCB同一面上；如果需两面放置，将SMT元件放一面，DIP元件放到另一面 根据电路的功能单元，预划分数字、模拟、地区域，对电路的全部元器件进行布局。强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，根据信号流向规律使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方
2、向。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。,(3). PCB布局的技术及要求,DIP元件相互距离大于 2毫米。 BGA与相临元件距离大于 5毫米。 阻容等贴片小元件元件相互距离大于0.7毫米。 贴片元件焊盘外侧与相临插装元件焊盘外侧要大于2毫米。 压接元件周围5毫米不可以放置插装原器件。 焊接面周围5毫米内不可以放置贴装元件。 集成电路的去耦电容应尽量靠近芯片的电源脚，高频最靠近为原则。 旁路电容应均匀分布在集成电路周围。 元件布局时候，使用同一种电源的元件应考虑尽量放在一起.,时钟电路应位于底板或接地板的中心，不要放在输入输出端附近。振荡器或晶体要直接焊接到PCB上，不要采用插座. 用于阻
3、抗匹配目的的阻容器件的放置，应根据其属性合理布局。 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。 一般电路应尽可能使元器件平行排列。 尽可能缩短高频元器件之间的连线。 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 相同结构电路部分应尽可能采取对称布局 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm,重量超过15g的元器件, 应当用支架加以固定，然后焊接。且应考虑散热问题。 热敏元件应远离发热元件。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。应放在印制板
4、上方便于调节的地方。 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。 电路板面尺寸大于200 x150mm时应考虑电路板所受的 机械强度。,元器件功能布置图,2. PCB分层,单层板 双层板 多层板,考虑PCB尺寸大小时，也要考虑PCB的分层，即必须根据元件及功能来确定采用几层板最合适。,7.2 阻抗控制,高速PCB信号线各处阻抗连续 PCB板上所有网络的阻抗都控制在一定范围内,根据设计要求，严格计算阻抗控制信号线的几何尺寸，并将这些设计参数与允许的误差交于PCB生产厂家 光板测量 - 与PCB生产厂家协调设计规范,阻抗控制包括：,分析和测量是阻抗控制的关键!,无论是双层板还是多层板，PCB制作中
5、包含两种结构的传输线：微带线和带状线。,微带线贴附在介质平面并直接暴露在空气中，近似的认 为线的上表面宽度W与下表面宽度W1近似相等.,W为线的宽度（in） H为信号线与参考板的距离（in） T为线的厚度(in) r为平板材料的介电常数,1. 微带线结构,线路内电容:,特性阻抗:,5 W 15mil,Z0为特性阻抗（） W为线的宽度（in） T为线的厚度(in) H为信号线与参考板的距离（in）,微带线的传输延迟：,15 W 25mil,C0为走线的内电容， 为平板材料的介电常数。,2.嵌入式微带线,在铜线上覆盖介电材料，空气以及周围的环境对线路阻抗的计算影响很小，可忽略不计。近似认为线的上表
6、面宽度W与下表面宽度W1相等.,W为线的厚度(in)， W与W1近似认为相等， T为线的厚度(in)， H1为信号线与基准板的距离(in)， H两层介质层的高度(in)， 为平面板材料的介电常数,特性阻抗：,线路内电容:,传输延迟：,Z0是特性阻抗(), W为线的厚度(in)， W与W1近似认为相等， T为线的厚度(in)， H1为信号线与基准板的距离(in)， H两层介质层的高度(in)， 为平面板材料的介电常数,推导出传输线宽度W的计算公式：,Z0是特性阻抗(), W与W1近似认为相等， W为线的厚度， T为线的厚度， H1为信号线与基准板的距离， H两层介质层的高度， 为平面板材料的介电
7、常数,带状线是在两个导电平面结构中被介质材料所包围的传输线，带状线存在于板的内部，并不暴露在空气中。,3.单带状线结构,W为线的宽度(in)， T是线的厚度(in)， H两参考板之间的距离(in) H1线到参考板之间的距离(in) 平面材料的介电常数。,特性阻抗：,线路内电容:,传输延迟：,Z0为特性阻抗（）, W为线的宽度(in)， T是线的厚度(in)， H两参考板之间的距离(in) H1线到参考板之间的距离(in) 平面材料的介电常数。,双带状线是单带状线的改进形，它增大了电路平面和最近参考的耦合。把电路放在板内1/3处.,4.双带状线结构,W走线宽度（in） T走线厚度（in） H1信
8、号层间距离（in） H2线到参考板之间的距离(in) H两参考板之间的距离 平面材料的介电常数（in）,单带状线公式的改进。双带状线阻抗Z0的近似计算也是如此。,特性阻抗：,线路内电容:,Z0特性阻抗（） W走线宽度（in） T走线厚度（in） H1信号层间距离（in） H2线到参考板之间的距离(in) H两参考板之间的距离 平面材料的介电常数（in） C0走线的固有电容（pF/in）,5.差动（分）微带线和带状线结构,横截面积恒定不变，而且对差分信号有一个恒定的阻抗。 每根线上的时延相同，确保差分信号边沿陡峭 两条传输线要完全相同，线的宽度和线间的介质间距也完全相同 两条传输线的长度要完全相
9、同 差分对的两条传输线间不一定有耦合，但没有耦合将导致差分对抗噪能力下降,差分线的性质：,差分线中存在相互邻接的差分线路。差分对对差分信号的阻抗，即差分阻抗。 Zdiff：差分阻抗； Z0：特性阻抗,Z0: 单端传输线的特性阻抗（欧） W: 走线宽度（mil） B: 两平面之间的距离（mil） T: 走线的厚度（mil） H: 信号走线和最近参考面的距离（mil） D: 两走线边沿之间的距离（mil）,差分走线的应用：,传输的信号需要通过噪声环境 传输信号为低电压 信号在两个机架之间走线,6.布线考虑,信号在微带线上传输的速率要大于带状线，快大约25% 考虑辐射优先采用带状线，层数较多时，双带
10、状线好,根据参考板来改变线的宽度 改变布线层与参考板之间的距离 把部分参考板移到信号线下面，并允许以比原来参考板更远的参考板作参考 改变PCB层的厚度 在两个平面结构中采用不同的介电常数,通过阻抗控制来改变线路阻抗的方法：,7.容性负载,容性输入阻抗会影响线路阻抗，并提高逻辑门负载。,无负载的传播延时：,有集中负载Cd的修正传播延时：,C0：传输线的特性电容;,Z0：原传输线阻抗；Z0：所改变后的阻抗,Cd：所有输入负载的输入门电容,有集中负载Cd的传输线阻抗：,ECL逻辑门输入门电容为 5pF CMOS逻辑门输入门电容为 10pF TTL逻辑门输入门电容为 1015pF 一般PCB走线的特性
11、电容为 22.5pF 每个插座端口分布电容为 2pF， 过孔为 0.30.8pF,线长为电长走线，需要终端匹配,传输线的特性电容：,可计算出修正的传播时延和传输线阻抗:,7.3 走线长的计算,1. 走线长的计算,微带线拓扑：,带状线拓扑：,例：信号边沿速率为2ns,微带线拓扑：,带状线拓扑：,走线的最大计算长度,PCB板上走线的实际测量长度,由下式可判断走线或负载间隔是否是电长线以及是否需要终端,2. 微带线和带状线走线长的计算,例1：一个5ns边沿速率器件放于5in长的表面微带线上，整个走线上分布着6个负载，每个器件的输入电容为6pF, 这个走线需不需要终端？ 几何尺寸：走线宽度：W=0.0
12、10in; 走线高度：H=0.012in 走线厚度：T=0.002in; 介电常数r =4.6,微带线特性阻抗：,微带线的传输延迟：,解：走线宽度：W=0.010in =10 mil,分布电容Cd(由长度进行整体归一化的输入电容)：,走线的固有电容：,从源驱动器开始的单向传播延时：,衰减振荡和反射在边沿转换时被掩盖的条件：,不需要终端,安全边界：,例2：10in带状线上连接一个边沿速率为2ns的器件。在走线上分布着6个逻辑器件。每个器件的输入电容为12pf,这条走线是否需要终端？,传输延迟：,解:特性阻抗：,几何尺寸：走线宽度：W=0.006in; 板间距离 H=0.012in 走线厚度：T=
13、0.0014in; 介电常数r =4.6,分布电容Cd(由长度进行整体归一化的输入电容)：,从源驱动器开始的单向传播延时：,走线的固有电容：,需要终端!,衰减振荡和反射在边沿转换时被掩盖的条件：,7.4 PCB 板的布线要点,单面布线 双面布线 多层布线,布线方式：,PCB布线种类:,自动布线 交互式布线 3D 布局布线（一体化）,微带线布线允许对边沿变化速度快的信号作最快的传输,1. 布线的基本要求,带状线布线对共模RF电流的去除最有效,（1）. 微带线和带状线的应用,（2）. 过孔的使用,从作用过孔分为两类：一做各层间的电气连接; 二做器件的固定或定位。,从工艺制造分为三类：盲孔和埋孔和通
14、孔。,过孔的结构:,过孔的寄生电容和寄生电感：,D1是过孔周围的焊盘直径（in），D2是参考平面上的电气间隙孔径（in），T是印制板的厚度（in），r是介质的相对介电常数。,如果D1 = 0.025 in；D2 = 0.045 in；T = 0.063 in；r = 4.6， 过孔的寄生电容为：,h是过孔的长度（in），d是过孔的直径（in）， L是过孔的寄生电感，XL是过孔的感抗。,过孔的寄生电感与过孔的长度和直径密切相关。,如果过孔为通孔，h = 0.063 in，d = 0.016 in，tr = 1 ns，过孔的寄生电感L和过孔的感抗XL为：,如果过孔为埋孔，h = 0.043 in，
15、d = 0.016 in，tr = 1 ns，,(1) 选择合理的过孔大小。 (2) 薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数 PCB走线尽量不换层，即尽量少用不必要的过孔 (4) 电源和地的管脚要就近打孔，过孔和管脚之间引线越短越好 (5) 在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，为信号提供最近的回路。,高速PCB的过孔设计：,布线时要注意输入端与输出端的连线，应避免相邻平行， 以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离。 两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。,在一块设计合适的PCB板上，第一条安排的线路将是时钟信号。 由于最初线路有较大的自由度，设计者可使用最短的距离来布线。 Use
16、Multi-layer board with ground planes. Double sided better than single.,（3）布线基本要求：,总的连线尽可能的短，关键信号线最短。,电路中的电流环路应保持最小 信号线和回线应尽可能接近 使用较大的地平面以减小地线阻抗 电源线和地线应相互接近 在多层电路板中，应把电源面和地面分开 使用镜像面 对高密度的PCB设计，过孔（via）是多层PCB的重要组成部分。PCB上的每一个孔都可称为过孔。,避免PCB板布线不连续：,Guard Trace,(1) Keep total loop area down (2) Help control signal trace impedance (3) Are ideally suited to one and two layer PCBs,(1) 布线宽度不要突变 (2) 布线不要突然拐角,输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。 选择合理的导线宽度。分离元件导
