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<title><![CDATA[硬件设计]]></title> 
<link>http://boblog.sch.za.org/index.php</link> 
<description><![CDATA[SCH设计、PCB设计、FPGA设计、高频设计、RF设计、EMC设计]]></description> 
<language>zh-cn</language> 
<copyright><![CDATA[硬件设计]]></copyright>
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<link>http://boblog.sch.za.org/read.php?83</link>
<title><![CDATA[特性阻抗和频率有关吗？]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Tue, 24 Aug 2010 04:36:23 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;难得半日清闲，看到留言板有网友留言问道这个问题，留一篇随笔，与各位网友共享。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>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<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;---------------<br/>Z0 =&nbsp;&nbsp; /&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;L<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; /&nbsp;&nbsp; ------<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; ^/&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;C<br/><br/>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：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zandf_1.jpg" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zandf_1.jpg" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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？ <br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>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。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zandf_2.jpg" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zandf_2.jpg" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/> <br/><br/>结论：<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<title><![CDATA[信号完整性：PCB走线中途容性负载反射]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 05:02:37 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;很多时候，PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等，都存在寄生电容，必然对信号造成影响。走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两个方面分析，对起点和终点都有影响。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/> <br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_1.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_1.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>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：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>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。 <br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_3.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_3.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>阻抗变化率为：<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_4.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_4.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a>，即<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_5.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_5.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a>，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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_6.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_6.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>得出：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_7.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzx_7.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/> <br/><br/>总结：<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<title><![CDATA[信号完整性：接收端容性负载的反射]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:59:57 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	　　&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;信号的接收端可能是集成芯片的一个引脚，也可能是其他元器件。不论接收端是什么，实际的器件的输入端必然存在寄生电容，接受信号的芯片引脚和相邻引脚之间有一定的寄生电容，和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容，另外引脚和信号返回路径之间也会存在寄生电容。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>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。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_1.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_1.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图1<br/><br/><br/>我们考察B点电容的阻抗情况。电容的电流为：<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <br/>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。<br/>电容的阻抗为：<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_3.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_3.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/> <br/>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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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<br/> <br/>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。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_4.jpg" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_jsdrxfzfs_4.jpg" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a> <br/>图2<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;总之接收端电容负载的影响有两点：<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1、&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;使源端（驱动端）信号产生局部电压凹陷。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2、&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;接收端信号上升时间延长。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;在电路设计中这两点都要考虑。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<title><![CDATA[信号完整性：PCB走线宽度变化产生的反射]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:55:44 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在进行PCB布线时，经常会发生这样的情况：走线通过某一区域时，由于该区域布线空间有限，不得不使用更细的线条，通过这一区域后，线条再恢复原来的宽度。走线宽度变化会引起阻抗变化，因此发生反射，对信号产生影响。那么什么情况下可以忽略这一影响，又在什么情况下我们必须考虑它的影响？<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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：<br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzxkd_1.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_pcbzxkd_1.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/><br/>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。<br/><br/>文章欢迎转载，转载请注明出处：于博士信号完整性研究网<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<link>http://boblog.sch.za.org/read.php?78</link>
<title><![CDATA[信号完整性：信号振铃是怎么产生的]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:52:57 +0000</pubDate> 
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<description>
<![CDATA[ 
	信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1所示。<br/> <br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhzl_1.jpg" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhzl_1.jpg" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/> 图1<br/><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;那么信号振铃是怎么产生的呢？<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;第4次反射：。。。 。。。 。。。第5次反射：。。。 。。。 。。。<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/> <br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhzl_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhzl_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图2<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。<br/>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。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<link>http://boblog.sch.za.org/read.php?77</link>
<title><![CDATA[信号完整性：信号反射]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:50:12 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB转角，接插件），信号都会发生反射。<br/><br/>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：<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_1.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_1.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a> 。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：<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a> ，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。<br/><br/>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）。<br/><br/>阻抗增加有限值：<br/><br/>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。<br/><br/>阻抗减小有限值：<br/><br/>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<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_3.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhfs_3.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a> 。此时反射点电压为3.3V+（-0.825V）=2.475V。<br/><br/>开路：<br/><br/>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。<br/><br/>短路：<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/><br/><br/>本文来源：于博士信号完整性研究网，欢迎转载，转载请注明出处。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<title><![CDATA[信号完整性：多长的走线才是传输线]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:46:20 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。<br/><br/>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。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zxdc_1.jpg" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zxdc_1.jpg" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图1<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zxdc_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_zxdc_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图2<br/><br/>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。<br/><br/>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。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<title><![CDATA[信号完整性：特性阻抗]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:42:36 +0000</pubDate> 
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<![CDATA[ 
	当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的介电常数有关，可表示为： <a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_1.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_1.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a>。如果PCB上线条的厚度和宽度不变，并且走线和返回平面间距离不变，那么信号感受到的瞬态阻抗就不变，传输线是均匀的。对于均匀传输线，恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性，称为特性阻抗。<br/><br/>如果PCB上线条的厚度增大或者宽度增加，单位长度电容增加，特性阻抗就变小。同样，走线和返回平面间距离减小，电容增大，特性阻抗也减小。<br/><br/>一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗，也叫自由空间的波阻抗，在EMC中非常重要。自由空间特性阻抗为<a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_2.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_2.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a> 。<br/><br/>对于常见的FR4板材的PCB板上， 特性阻抗的典型结构如图所示。对于微带线，线宽W是介质厚度h的2倍。对于带状线，线条两侧介质总厚度b是线宽W的两倍。<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_3.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_3.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图1<br/><br/>FR4板材的PCB板上， 特性阻抗传输线另一个特性是：<br/><br/>单位长度电容=3.3pF/in<br/><br/>单位长度电容=8.3nH/in<br/><br/><a href="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_4.gif" target="_blank"><img src="http://boblog.sch.za.org/img/yuboshi_xhwzx_4.gif" class="insertimage" alt="点击在新窗口中浏览此图片" title="点击在新窗口中浏览此图片" border="0"/></a><br/>图2<br/><br/>了解这些特殊的特性阻抗，对于设计电路板有一定的参考意义，能让我们在制作电路前有个直觉的认识。<br/><br/>精确地特性阻抗计算需要用场求解器。推荐用Polar Instruments的SI9000软件，大名鼎鼎，绝对精品。本站提供下载，下载地址为：http://www.sig007.com/rjxz/115.html<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">信号完整性</a>
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<link>http://boblog.sch.za.org/read.php?74</link>
<title><![CDATA[电源完整性：电容的去耦时间]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:39:16 +0000</pubDate> 
<guid>http://boblog.sch.za.org/read.php?74</guid> 
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<![CDATA[ 
	电容的去耦时间<br/><br/> <br/><br/>在电源完整性设计一文中，推荐了一种基于目标阻抗（target impedance）的去耦电容设计方法。在这种方法中，从频域的角度说明了电容选择方法。把瞬态电流看成阶跃信号，因而有很宽的频谱，去耦电容必须在这个很宽的频谱内使电源系统阻抗低于目标阻抗（target impedance）。电容的选择是分频段设计的，每一种容值的电容负责一段频谱范围，超出这个范围的，由其他电容负责构成低阻抗路径。<br/><br/>有些人可能对这种频域方法有些困惑，本文从另外一个更直观的角度来说明去耦电容的这种特性，即电容的去耦时间。<br/><br/>构成电源系统的两个重要部分：稳压电源、去耦电容。首先说说稳压电源的反应时间。负载芯片的电流需求变化是极快的，尤其是一些高速处理器。内部晶体管开关速度极快，假设处理器内部有1000个晶体管同时发生状态翻转，转台转换时间是1ns，总电流需求是500mA。那么此时电源系统必须在1ns时间内迅速补充上500mA瞬态电流。遗憾的是，稳压源在这么短的时间内反应不过来，相对于电流的变化，稳压源显得很迟钝，有点像个傻子，呵呵。通常说的稳压源的频率响应范围在直流到几百k之间，什么意思？这从时域角度可能更好理解。假设稳压源的频率响应范围是直流到100kHz，100kHz对应时域的10us时间间隔。也就是稳压源最快的响应速度是10us，如果负载芯片要求在20 us内提供所需的电流，那么稳压电源有足够的反应时间，因此可以提供负载所需要的电流。但是如果负载电流要求的时间是1ns的话，对稳压电源来说太快了，稳压源还在那发呆呢，瞬态电流的需求已经过去了。负载可不会等着稳压源来做出反应，不能给它及时提供电流，他就把电压拉下来，想想，功率一定，电流大了，电压必然减小。哦，这就产生了轨道塌陷，噪声产生了。因此，所说的频率响应范围，在时域对应的是一个响应时间问题。<br/><br/>电容也同样存在响应时间。电源要10us才能反应过来，那从0到10us之间这段时间怎么办？这就是电容要干的事。按电源完整性设计一文中，加入一个31.831uF电容，能提供100kHz到1.6MHz频段的去耦。从时域来说，这个电容的最快反应时间是1/1.6MHz=0.625us。也就是说从0.625us到10us这段时间，这个电容就可以提供所需电流。稳压电源发呆就发呆吧，别指望它了，电容先顶上，过10us后再让稳压源把活接过来。从0.625us到10us这段时间就是电容的有效去耦时间。<br/><br/>加一个电容后，电源系统的反应时间还是很长，625ns，还是不能满足要求，那就再加电容，放一些很小的电容，比如13个0.22uF电容，提供1.6MHz到100MHz的去耦，那么这13个小电容最快反应时间为1/100MHz=1ns。如果有电流需求，1ns后这些小电容就做出反应了。<br/><br/>通常这个反应时间还不够，那就在加一些更小的电容，把去耦频率提到500MHz，反应时间可以加快到200ps，一般来说足够了。不同电容产生去耦作用，都需要一定的时间，这就是去耦时间。不同的去耦时间对应不同的有效去耦频率段，这就是为什么去耦电容要分频段设计的原因。<br/><br/>这里给出的是一个直观的解释，目的是让你有一个感性的理解。<br/><br/>有一点要特别注意，从信号的角度来说，瞬态电流有很宽的带宽，要想很好的满足电流需求，必须在他的整个带宽范围内都提供去耦，才能满足波形的要求。不要认为稳压源反应慢，就认为它没干活，这是不对的，稳压源对瞬态电流中的低频成分还是起作用的。电流由很多频率成分组成，稳压源、大电容、小电容、更小的电容分别负责补偿瞬态电流中不同频率的部分，这些作用合成在一起，才能产生一个类似阶跃信号的补偿电流。电源系统设计要物尽其用，稳压源、大电容、小电容、更小的电容各司其职，协同工作，这个团队能否很好的合作，就看你的管理能力了。<br/><br/>努力学习，做好的管理者，别光想着管理这些电容啊，呵呵！不过对技术出身的我们，先管好这些无生命的东西，打好基础才行啊。于博士祝大家尽快迈过技术这道门槛，有时间多来我的网站看看，早日走上事业快车道。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E7%2594%25B5%25E6%25BA%2590%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">电源完整性</a>
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<link>http://boblog.sch.za.org/read.php?72</link>
<title><![CDATA[电源完整性设计（17）结束语]]></title> 
<author>清明远布 &lt;admin@yourname.com&gt;</author>
<category><![CDATA[于博士专栏]]></category>
<pubDate>Mon, 02 Nov 2009 04:37:11 +0000</pubDate> 
<guid>http://boblog.sch.za.org/read.php?72</guid> 
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<![CDATA[ 
	结束语<br/><br/>电源系统去耦设计要把引脚去耦和电源平面去耦结合使用已达到最优设计。时钟、PLL、DLL等去耦设计要使用引脚去耦，必要时还要加滤波网络，模拟电源部分还要使用磁珠等进行滤波。针对具体应用选择退耦电容的方法也很流行，如在电路板上发现某个频率的干扰较大，就要专门针对这一频率选择合适的电容，改进系统设计。总之，电源系统的设计和具体应用密切相关，不存在放之四海皆准的具体方案。关键是掌握基本的设计方法，具体情况具体分析，才能很好的解决电源去耦问题。<br/>Tags - <a href="http://boblog.sch.za.org/tag.php?tag=%25E7%2594%25B5%25E6%25BA%2590%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7" rel="tag">电源完整性</a>
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