http://boblog.sch.za.org/index.php zh-cn http://boblog.sch.za.org/read.php?84 清明远布 <admin@yourname.com> Tue, 09 Nov 2010 04:58:36 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?84
如果运算放大器过驱动，输出级将会饱和到其中的一个电源轨，而且将消耗过多的电能。在未用运算放大器的许多常见配置中，都会导致过驱动。

如果所有端都空置，则存在着一定风险，杂散静电电场会引起输入超出电源轨，这可能会导致闭锁，甚至损坏整个芯片。即使没有发生闭锁，直流电场也可能引起放大器饱和，并造成功率浪费。另外，放大器可能会放大交流电场，而且如果存在过驱动的话，它本身的电源电流将受到大幅度的调制，并在片上其它放大器中引起串扰。

一些用户把一个输入连接到正电源，另一个输入连接到负电源，这同样会使输入饱和并浪费功率，也可能超过差分输入额定值并损坏器件。即使器件没有损坏，在这些条件下，一些输入级会汲取几十毫安的电流，以致被浪费的功率甚至会更多。

而将两个输入都接地，或把它们短接到某个其它电位，也会引起输出级饱和，这是由于运算放大器的失调电压绝不会完全为零；把它们短接在一起而进行偏置，同样存在上面提到的闭锁风险。

我们应该做的是，将这个器件连接成跟随器的形式(输出接到反相输入)，并将同相输入连接到电源轨之间的某个电位。对于双电源系统，地是理想的选择，但在单电源系统中连接到正或负电源，如果失调电压的极性错误，将引起饱和并导致功率浪费。由于运算放大器输入引起的负载很小，“电源轨之间的某个电位”可以是电路中任何电位合适的点。

或者您也可以将它用作缓冲放大器，把它加在系统某个并不是很需要的地方，但如果加上的话可能会稍好一些。 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?29 清明远布 <admin@yourname.com> Wed, 25 Aug 2010 01:29:30 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?29
    这里简单构造了一个“场景”，结合下图介绍一下地回流和电源回流以及一些跨分割问题。为方便作图，把层间距放大。

   IC1为信号输出端，IC2为信号输入端(为简化PCB模型，假定接收端内含下接电阻)第三层为地层。IC1和IC2的地均来自于第三层地层面。顶层右上角为一块电源平面，接到电源正极。C1和C2分别为IC1、IC2的退耦电容。图上所示的芯片的电源和地脚均为发、收信号端的供电电源和地。

    在低频时，如果S1端输出高电平，整个电流回路是电源经导线接到VCC电源平面，然后经橙色路径进入IC1，然后从S1端出来，沿第二层的导线经R1端进入IC2，然后进入GND层，经红色路径回到电源负极。

    但在高频时，PCB所呈现的分布特性会对信号产生很大影响。我们常说的地回流就是高频信号中经常要遇到的一个问题。当S1到R1的信号线中有增大的电流时，外部的磁场变化很快，会使附近的导体感应出一个反向的电流。如果第三层的地平面是完整的地平面的话，那么会在地平面上会有一个蓝色虚线标示的电流；如果TOP层有一个完整的电源平面的话，也会在顶层有一个沿蓝色虚线的回流。此时信号回路有最小的电流回路，向外辐射的能量最小，耦合外部信号的能力也最小。(高频时的趋肤效应也是向外辐射能量最小，原理是一样的。)


    由于高频信号电平和电流变化都很快，但是变化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和离芯片最近的退耦电容取电的。当C1足够大，而且反应又足够快(有很低的ESR值，通常用瓷片电容。瓷片电容的ESR远低于钽电容。)，位于顶层的橙色路径和位于GND层的红色路径可以看成是不存在的(存在一个和整板供电对应的电流，但不是与图示信号对应的电流)。

    因此，按图中构造的环境，电流的整个通路是：由C1的正极->IC1的VCC->S1->L2信号线->R1->IC2的GND->过孔->GND层的黄色路径->过孔->电容负极。可以看到，电流的垂直方向有一个棕色的等效电流，中间会感应出磁场，同时，这个环面也能很容易的耦合到外来的干扰。如果和图中信号为一条时钟信号，并行有一组8bit的数据线，由同一芯片的同一电源供电，电流回流途径是相同的。如果数据线电平同时同向翻转的话，会使时钟上感应一个很大的反向电流，如果时钟线没有良好的匹配的话，这个串扰足以对时钟信号产生致命影响。这种串扰的强度不是和干扰源的高低电平的绝对值成正比，而是和干扰源的电流变化速率成正比，对于一个纯阻性的负载来说，串扰电流正比于dI/dt=dV/(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (电流变化速率)、dV(干扰源的摆幅)和R(干扰源负载)都是指干扰源的参数(如果是容性负载的话，dI/dt是与T10%-90%的平方成反比的。)。从式中可以看出，低速的信号未必比高速信号的串扰小。也就是我们说的：1kHZ的信号未必是低速信号，要综合考虑沿的情况。对于沿很陡的信号，是包含很多谐波成分的，在各倍频点都有很大的振幅。因此，在选器件的时候也要注意一下，不要一味选开关速度快的芯片，不仅成本高，还会增加串扰以及EMC问题。

    任何相邻的电源层或其它的平面，只要在信号两端有合适的电容提供一个到GND的低电抗通路，那么这个平面就可以作为这个信号的回流平面。在平常的应用中，收发对应的芯片IO电源往往是一致的，而且各自的电源与地之间一般都有0.01-0.1uF的退耦电容，而这些电容也恰恰在信号的两端，所以该电源平面的回流效果是仅次于地平面的。而借用其他的电源平面做回流的话，往往不会在信号两端有到地的低电抗通路。这样，在相邻平面感应出的电流就会寻找最近的电容回到地。如果这个“最近的电容”离始端或终端很远的话，这个回流也要经过“长途跋涉”才能形成一个完整的回流通路，而这个通路也是相邻信号的回流通路，这个相同的回流通路和共地干扰的效果是一样的，等效为信号之间的串扰。

对于一些无法避免的跨电源分割的情况，可以在跨分割的地方跨接电容或RC串联构成的高通滤波器(如10欧电阻串680p电容，具体的值要依自己的信号类型而定，即要提供高频回流通路，又要隔离相互平面间的低频串扰)。这样可能会涉及到在电源平面之间加电容的问题，似乎有点滑稽，但肯定是有效的。如果一些规范上不允许的话，可以在分割处两平面分别引电容到地。
    对于借用其它平面做回流的情况，最好能在信号两端适当增加几个小电容到地，提供一个回流通路。但这种做法往往难以实现。因为终端附近的表层空间大多都给匹配电阻和芯片的退耦电容占据了。

    时间原因就先写这些…如果有遗漏或错误的地方请大家提醒。共同学习提高^_^。
Tags - 布线策略 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?83 清明远布 <admin@yourname.com> Tue, 24 Aug 2010 04:36:23 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?83
    当我们提到特性阻抗的时候，通常很少考虑它与频率的关系。其原因在于，特性阻抗是传输线的一个相当稳定的属性，主要和传输线的结构也就是横截面的形状有关。从工程的角度来说，把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。说实话，搞了这么长时间的SI设计，还没碰到需要考虑特性阻抗变化的情况。

    既然有网友一定要考虑这个问题，今天我们就稍稍深入一下，看看特性阻抗的真实面目。虽然没有太大的工程应用价值，但是对于理解问题还是有好处的。

特性阻抗是从理论上分析传输线时经常提到的一个量，从传输线的角度来说，它可以用下面的公式表示
        ---------------
Z0 =   /    L
         /   ------
     ^/      C

L表示传输线的单位长度电感，C为单位长度电容。乍一看，似乎公式中没有任何变化的量。但是特性阻抗真的是个恒定的量吗？我们使用Polar软件对横截面固定的传输线进行扫频计算，频率范围定在100MHz~10GHz，来看看场求解器给出的结果，如下图：


    你可能感到惊讶，特性阻抗随着频率的升高变小了，why？阻抗公式中那个量发生了变化？

    其实这涉及到电磁学方面的一个深层次的问题。罪魁祸首是电感！！电感问题是个很复杂的问题，对电感的理论计算很繁琐，有兴趣的网友可以找资料看看电感的计算，详细的推导过程我就不在这里写了。简单的说，导线的电感由两部分组成：导线的内部电感和导线的外部电感。当频率升高时，导线的内部电感减小，外部电感不变，总电感减小，因而导致了特性阻抗减小。

我们知道，电感的定义是指围绕在电流周围的磁力线匝数。电感随频率减小，直觉告诉我们一定是导线中电流分布发生了变化。到这里我想各位网友应该豁然开朗了。趋肤效应（skin effect）你一定不会陌生。看看下面的这张图你会有更直观的感受，这是用二维场求解器仿真出来的高频时导体中电流的分布。黄色部分是电流所在位置。



    当频率升高时，电流向导线表面集中，在导线内部电流密度减小，当然电感减小。电感的本质，是围绕在电流周围的磁力线匝数，注意“围绕在电流周围”这个说法。假设存在极端情况，导线内部电流完全消失，所有的电流集中在导体表面，磁力线当然没法再内部去环绕电流，内部电感消失。导线总电感减小，减小的那一部分就是导线的内部电感。当然这种说法不严谨，不过对直观的理解问题非常有帮助。



结论：

1、传输线的特性阻抗确实和频率有关，随着频率升高，特性阻抗减小，但会逐渐趋于稳定。

2、特性阻抗的变化的原因是导线的单位长度电感随频率升高而减小。

3、这种特性阻抗的变化很小，在工程应用中一般不用考虑它的影响。知道有这个事就是了。
Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?24 清明远布 <admin@yourname.com> Tue, 12 Jan 2010 04:21:29 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?24 设计高频电路用电路板有许多注意事项，尤其是GHz等级的高频电路，更需要注意各电子组件pad与印刷pattern的长度对电路特性所造成的影响。最近几年高频电路与数字电路共享相同电路板，构成所谓的混载电路系统似乎有增加的趋势，类似如此的设计经常会造成数字电路动作时，高频电路却发生动作不稳定等现象，其中原因之一是数字电路产生的噪讯，影响高频电路正常动作所致。为了避免上述问题除了设法分割两电路block之外，设计电路板之前充分检讨设计构想，才是根本应有的手法，基本上设计高频电路用电路板必需掌握下列三大原则:

1.高质感。
2.不可取巧。
3.不可仓促抢时间。
　  
设计高频电路板的基本常识

以下是设计高频电路板的基本常识:

(a).印刷pattern的长度会影响电路特性。

尤其是传输速度为GHz高速数字电路的传输线路，通常会使用strip line，同
时藉由调整配线长度补正传输延迟时间，其实这也意味着电子组件的设置位置对电路特性具有绝对性的影响。

(b).Ground作大better。

铜箔面整体设置ground层，而连接via的better ground则是高频电路板与高速数字电路板共同的特征，此外高频电路板最忌讳使用幅宽细窄的印刷pattern描绘ground。

(c).电子组件的ground端子，以最短的长度与电路板的ground连接。

具体方法是在电子组件的ground端子pad附近设置via，使电子组件能以最短的长度与电路板的ground连接。

(d).信号线作短配线设计。

不可任意加大配线长度，尽量缩短配线长度。

(e).减少电路之间的结合。

尤其是filter与amplifier输出入之间作电路分割非常重要，它相当于audio电路的cross talk对策。



高频电路板的设计步骤

高频电路板的设计步骤大致上可整理成如下:

1.根据外筐尺寸的限制，决定电路板的大小。

2.制作印刷电路板外形，与library的data。

3.决定高频电路单元与信号处理单元的封装位置。

基本上高频电路单元与模拟/数字信号处理单元必需分开封装，分割方式有两种分别如下:

(a).将电路板正面与反面的的高频电路单元与数字信号处理单元分开，主要原因是数字电路的噪讯很容易流入高频电路单元，高频电路单元的背面设置数字电路时，必需避免两者的封装在相同角落上。

(b).将电路板对分成高频电路单元与数字信号处理单元各占一半的场合，高频电路单元的控制信号线回绕长度如果过过长时，很容易受到数字电路噪讯的影响

4.电路板设置电子组件。

组件设置作业对设计高频电路板而言具有决定性的影响，尤其是包含ground via与连接via的面积，以及如何确保电子组件之间的space等设计非常的重要，例如电子组件之间的space设计不当的话，将招致无法设置ground via，以及无法连接via等严重后果，也就是说电子组件的配置是否适宜，会使高频电路的性能产生重大变化。

5.设计配线

除了印刷pattern的配线之外，同时还需要调整line的阻抗(impedance)，并设置ground via。

6.检查配线

完成电路板data之后必需检查设计规范(rule)，尤其是检查print out的配线是否有任何设计上的疏失，如果电路板有正、反面辨识上的需求时，可提出数据数据要求厂商制作。


设计高频电路板的四大要诀

(一).利用印刷pattern取代被动电子组件的功能

照片1是1.5GHz RF增幅器电路板封装后的外观；图1是RF增幅器的电路layout图。该电路的噪讯值为0.6～0.7dB，电路板中央部位附近设有富士通编号为FHC30 FA的HEMT(High Electron Mobility Transistor)电子组件。图1中的MS组件是表示micro strip，由于电容与线圈的功能可利用micro strip实现，因此该电路并未使用被动电子组件。例如照片1之中与HEMT gate垂直延伸的印刷pattern (简称为open stub)，就可发挥电容的功能。此外基于增幅器的稳定性必需取得等化，因此input电路整合ГOPT (NF最小点)，output电路的阻抗(impedance)则作50Ω的设计整合。由于整合用的device也是用印刷pattern形成，所以实际设计电路板时必需将长度与宽度作严谨的配合。
　

照片1 高频电路板利用印刷pattern，取代被动电子组件设计实例


图1 照片1的1.5GHz RF增幅器电路图
　
(二).电子组件沿着信号传输方向排列，降低配线长度

照片2是800MHz RF增幅器电路板封装后的外观；图2是RF增幅器的电路layout图。图2中的低噪讯Transistor电子组件使用NEC的2SC5185，由可知照片2电子组件沿着信号传输方向排列，藉此降低配线长度。


照片2 电子组件沿着信号传输方向排列，降低配线长度的设计实例


图2 照片2的800MHz RF增幅器电路图

(三).Emitter 端子附近设置ground via

如照片2所示高频Transistor组件2SC5185两个Emitter具有四只脚(pin)，由照片可看见Emitter端子，pad的附近设有ground via，此种结构一般称为mini mo del type。如果via远离pad，增幅器的特性就会产生巨大变化，严重时甚至无法获得模拟分析预期的等化与阻抗(impedance)特性。从Emitter端子到via的配线，可因micro strip line的结构而产生组件特性，有关它的影响力将在后述章节中会以模拟分析方式深入探讨。总而言之在高频电路板，电子组件ground的处理非常重要。

(四).发热电子组件可利用ground面与金属筐体散热

照片3是800MHz RF送信机后段电路板封装后的外观，由照片可看见FET的source端子附近设有许多与ground层连接的via，这些via除了可以用低阻抗与ground层连接之外，还可将高频电路的送信单元产生的热能排除进而获得散热效果。这种散热方法尤其是对不易将发热组件的热能排除时，可透过电路板的ground铜箔面，将热能导至金属筐体协助散热，如果祇是为了散热，铜箔必需有70～100μm的厚度才能发挥预期的散热效果，因此电路板上的铜箔被视为有效的散热对策之一。


照片3 800MHz RF送信机后段，电路板增加散热用via的设计实例

波长对pattern长度的相关性

*波长与波长的关系

图4是12GHz micro strip edge couple BPF电路板封装后的外观，类似如此超高频的印刷pattern重合部位，不论是长度、宽度与间隔都需作高精度的要求，如果是图2所示的电路板封装方式，基本上不可能获得预期的高频特性。主要原因是两电路板处理的信号频率差异，使得电路板的layout方式也截然不同。假设空气中或是真空中的波长为λ(mm) ，频率为f(GHZ) 时，两者的关系式如下:


表1是利用式(1)试算波长与频率的结果。

频率(GHZ)
真空中的(mm)

1
300

2.4
125

5.6
53.6

12
25


表1 空气中或的波长与频率的关系

　
照片4 12GHz的micro strip edge couple BPF电路板的设计实例


*印刷电路板上的波长比真空中的波长短

在比诱电率为 的电路板上的信号波长会变短，这种现象称为波长缩短率 ，波长缩短率可用下式表示:


例如G10玻璃环氧树脂(glass epoxy)的 为4.8，如果将该值夜代入式(2)便可求得波长缩短率:


假设800MHz的信号，空间波长为375nm，则玻璃环氧树脂电路板上的波长会缩短为:

375×0.456=171nm

*实际波长可用实效比诱电率计算

实际电路板若是由micro strip line构成的场合，由于电界会外漏至诱电体电路板外面临造成诱电率下降，该诱电率称为实效比诱电率。电路板上的缩短率SPCB 可用下式表示:
　

表2是1GHz常用的CEM-3与12GHz BS converter常用的PPO，利用MEL的SNAP高频仿真器计算两者实效比诱电率的结果；表3是根据实效比诱电率的计算结果，计算1G Hz与12GHz信号在印刷电路板上的波长。根据仿真分析结果显示传至印刷pattern的高频信号波长，对电路板的材质具有很高的相关性。
诱电体的厚度(t=mm)
实效比诱电率( εr )
特性阻抗 Zo ( Ω )
Line宽度 W(mm)

0.6
3.246
50.07
1.143

1
3.256
50.08
1.92

(a)CEM-3, εr = 4.3,铜箔厚度18μm，频率1GHz

诱电体的厚度(t=mm)
实效比诱电率( εr )
特性阻抗 Zo ( Ω )
Line宽度 W(mm)

0.6
2.591
50.06
1.396

1
2.669
50.06
2.289


(b)PPO,εr = 3.2 ,铜箔厚度18μm，频率10GHz
表2 典型的两种印刷电路板的实效比诱电率

频率
空间波长(λair)
电路板上的波长

(GHz)
SPCB (mm)
SPCB / 4(mm)

1
300
166.5
41.6

12
　
15.5
3.9

表3 电路板上与空气中的波长差异
Tags - 高频布线 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?81 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 05:02:37 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?81
    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。

    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：

1 PCB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。
Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?80 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 04:59:57 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?80       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0.2 ns，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。
Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?79 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 04:55:44 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?79
        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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Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?78 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 04:52:57 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?78

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。
Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?77 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 04:50:12 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?77
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。


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Tags - 信号完整性 ]]> http://boblog.sch.za.org/read.php?76 清明远布 <admin@yourname.com> Mon, 02 Nov 2009 04:46:20 +0000 http://boblog.sch.za.org/read.php?76
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。
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