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EsDA工控單板
EPC6450-AWI/EPC1107-LI/EPC3568系列工控板
MPC-ZC1迷你工控主板
Cortex?-A5,拖拽式開(kāi)發(fā),40pin擴(kuò)展引腳
2.5寸工控單板
EPC-6Y2C-L網(wǎng)絡(luò)控制器
Cortex?-A7,800MHz,8路串口,數(shù)字音頻
IoT-6Y2C-L物聯(lián)網(wǎng)關(guān)控制器
Cortex?-A7,800MHz,8路串口,支持藍(lán)牙
EPC-6G2C-L網(wǎng)絡(luò)控制器
Cortex?-A7,528MHz,8路串口,數(shù)字音頻
IoT-6G2C-L物聯(lián)網(wǎng)關(guān)控制器
Cortex?-A7,528MHz,8路串口,支持藍(lán)牙
3.5寸工控單板
IoT7000A-LI物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)控制器
Cortex?-A7,雙MiniPCIe接口支持無(wú)線模塊擴(kuò)展
IoT-9608I-L網(wǎng)絡(luò)控制器
Cortex?-A8,800MHz,6種無(wú)線通訊方式
EPC-9600I-L工控主板
Cortex?-A8,800Mhz
IoT9000A-LI工控主板
Cortex?-A9,強(qiáng)勁編解碼,專注多媒體
IoT9100A-LI工業(yè)IoT網(wǎng)絡(luò)控制器Cortex?-A9,1GHz
SX-3568系列主板Cortex?-A55,雙核心GPU
MD-3568LI工控板Cortex?-A55,雙網(wǎng)口

電路板阻抗原理知識(shí)及應(yīng)用

前言:

我們做電子設(shè)計(jì),遇到高速電路時(shí)會(huì)遇到很多問(wèn)題,也會(huì)有很多新名詞,比如:過(guò)沖,下沖,時(shí)延,阻抗,反射等,經(jīng)過(guò)我的反復(fù)思考與研究,得到一些心得,跟大家一起分享。

隨著信號(hào)傳送速度迅猛的提高和高頻電路的廣泛應(yīng)用,對(duì)印刷電路板也提出了更高的要求。印刷電路板提供的電路性能必須能夠使信號(hào)在傳輸過(guò)程中不發(fā)生反射現(xiàn)象,信號(hào)保持完整,降低傳輸損耗,起到匹配阻抗的作用,這樣才能得到完整、可靠、精確、無(wú)干擾、噪音低的傳輸信號(hào)。

在高速數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)上,我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品不管是用到DDR2,還是DDR3內(nèi)存,不管是PCIE差分還是SATA傳輸,都用到了高速PCB設(shè)計(jì)技術(shù),而我們所設(shè)計(jì)的PCB用了阻抗控制技術(shù)后,基本上沒(méi)有出現(xiàn)是PCB問(wèn)題跑不通的情況。要理解高速信號(hào)的設(shè)計(jì)知識(shí),先要從一些基礎(chǔ)電子知識(shí)說(shuō)起。

基礎(chǔ)知識(shí)

導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)形成電流。電流方向只是物理學(xué)中約定俗成的一個(gè)規(guī)定,物理上規(guī)定電流的方向是正電荷的定向移動(dòng)的方向或者負(fù)電荷的定向移動(dòng)的反方向。電流的速度不是電子運(yùn)動(dòng)速度,而是電場(chǎng)的速度。

圖1. PA6000功率分析儀的電磁抗擾度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)
圖2:定向移動(dòng)的電子
電場(chǎng)的傳播速度和阻抗沒(méi)有直接關(guān)系,但它們都與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)有關(guān)

電信號(hào)的傳播速度是與導(dǎo)體周圍的介質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的,電信號(hào)在真空中(指導(dǎo)體周圍比較大的范圍內(nèi)都是真空)的傳播速度是光速3*10^8 m/s,換算為30 cm/ns 。在其它的介質(zhì)中,它的傳輸速度是不一樣的,如果相對(duì)介電系數(shù)是 Er ,則傳播速度為 30/Er^0.5。例如,在水中,水的相對(duì)介電系數(shù)是80,所以,傳播速度約是真空中的1/9 ,即: 30/80^0.5 = 3.35 cm/ns。在PCB中,F(xiàn)R4的相對(duì)介電系數(shù)約為4,所以,傳播速度是真空中的一半,即:30/4^0.5 = 15 cm/ns。

傳輸線的特征阻抗是什么

傳輸線的特征阻抗,又稱為特性阻抗,是我們?cè)谶M(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)概念。信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^(guò)程中,在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn),傳輸線和參考平面之間會(huì)形成電場(chǎng),由于電場(chǎng)的存在,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流,這個(gè)小電流在傳輸線中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號(hào)也存在一定的電壓,這樣在信號(hào)傳輸過(guò)程中,傳輸線的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻,這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗。這里一定要區(qū)分一個(gè)概念,就是特征阻抗是對(duì)于交流信號(hào)(或者說(shuō)高頻信號(hào))來(lái)說(shuō)的,對(duì)于直流信號(hào),傳輸線有一個(gè)直流阻抗,這個(gè)值可能會(huì)遠(yuǎn)小于傳輸線的特征阻抗。一旦傳輸線的特性確定了(線寬,與參考平面的距離等特性),那么傳輸線的特征阻抗就確定了。一般的PCB走線特征阻抗計(jì)算公式: Z0≈ (L/C)^0.5

其中L是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感,C是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電容。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式我們能看出來(lái),要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感和電容。

影響傳輸線特征阻抗的幾個(gè)因素

根據(jù)以上公式,這樣我們就能更好的理解影響傳輸線特征阻抗的幾個(gè)因素:

  • a. 線寬與特征阻抗成反比。增加線寬相當(dāng)于增大電容,也就減小了特征阻抗,反之亦然。
  • b. 介電常數(shù)與特征阻抗成反比。同樣提高介電常數(shù)相當(dāng)于增大電容。
  • c. 傳輸線到參考平面的距離與特征阻抗成正比。增加傳輸線與參考平面的距離相當(dāng)于減小了電容,這樣也就增大了特征阻抗,反之亦然。
  • d. 傳輸線的長(zhǎng)度與特征阻抗沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)公式可以看出來(lái)L和C都是單位長(zhǎng)度傳輸線的參數(shù),與傳輸線的長(zhǎng)度并沒(méi)有關(guān)系。
  • e. 線徑與特征阻抗成反比。由于高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng),影響較其他因素小。
圖示理解信號(hào)傳播

下面再以圖示的方法說(shuō)明下,傳輸線是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng),它的每一段都具有分布電容、電感和電阻。傳輸線的分布參數(shù)通常用單位長(zhǎng)度的電感L和單位長(zhǎng)度的電容C以及單位長(zhǎng)度上的電阻、電導(dǎo)來(lái)表示,它們主要由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和絕緣介質(zhì)的特性所決定的。分布的電容、電感和電阻是傳輸線本身固有的參數(shù),給定某一種傳輸線,這些參數(shù)的值也就確定了,這些參數(shù)反映著傳輸線的內(nèi)在因素,它們的存在決定著傳輸線的一系列重要特性。傳輸線的等效電路是由無(wú)數(shù)個(gè)微分線段的等效電路串聯(lián)而成。

圖3:傳輸線模型1

在上圖里,以t1時(shí)間段來(lái)說(shuō),電阻Ra1的阻值很小,電感L1也很小,電容C1也很小,電阻Rb1很大。電信號(hào)從低電平變高電平高電平,它不是整條導(dǎo)線上一下子就變?yōu)楦唠娖搅?,而是像錢(qián)塘江大潮漲潮或波浪推進(jìn)時(shí),是有一個(gè)過(guò)程的。錢(qián)塘江大潮來(lái)后,就把江面從低水位變到高水位了,波浪是一個(gè)一個(gè)的來(lái),就像高頻信號(hào)不停的傳輸。信號(hào)電場(chǎng)也如潮水一樣,它是后面的推前邊的,前面的繼續(xù)向前。

圖4:潮水在向前推進(jìn)
圖5:波浪在傳播

在導(dǎo)線上的一個(gè)固定地點(diǎn),它的電平是如潮頭逐漸上升的,這個(gè)上升的波形,就是我們平??梢杂檬静ㄆ鳒y(cè)量的上升沿,這個(gè)上升沿有快有慢,高速信號(hào),需要上升沿和下降沿都要快,否則電平還沒(méi)到,下一個(gè)信號(hào)電平又來(lái)了。而低頻信號(hào)并不等于上升沿下降沿就平緩,它也可以比較陡。低頻信號(hào)如果上升沿和下降沿比較陡的,也要當(dāng)高頻信號(hào)來(lái)處理。

圖6:傳輸線模型2
如何簡(jiǎn)單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問(wèn)題

我們可以這樣來(lái)簡(jiǎn)單理解信號(hào)傳播與信號(hào)回路問(wèn)題,一個(gè)信號(hào)在導(dǎo)體里傳播,它就要受到導(dǎo)體上電阻的衰減,電感的阻礙,給寄生電容充電和介質(zhì)漏電等。微分導(dǎo)線后可見(jiàn),信號(hào)峰頭到這里來(lái)后,由于給寄生電容充電和介質(zhì)漏電,它就會(huì)沿傳播路徑下的參考平面有一個(gè)返回電流,然后到下一個(gè)微分點(diǎn),電流又返回到前一個(gè)點(diǎn),這個(gè)信號(hào)還未傳到終點(diǎn)前,沿導(dǎo)線的傳播路徑的返回電流一直存在,等信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)后,整個(gè)通路建立平衡后,返回路徑才從信號(hào)最好走的(最短路徑,最小電阻)路徑返回。

低速信號(hào)地回路路徑

低速信號(hào)的信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間和高速信號(hào)一樣,但它兩個(gè)信號(hào)間時(shí)間比較長(zhǎng),信號(hào)推進(jìn)時(shí)從導(dǎo)體路徑返回電流,平衡后從最短路徑返回。而信號(hào)峰頭從始點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期,所以大部分電流從最短路徑返回了。

圖7:低速信號(hào)地回路路徑
高速信號(hào)地回路路徑

高速信號(hào)和低速信號(hào)不一樣,它的波形一個(gè)接一個(gè)的,所以絕大部分返回電流從信號(hào)傳播路徑返回。

圖8:高速信號(hào)地回路路徑

前面說(shuō)過(guò),在FR4的相對(duì)介電系數(shù)為4的PCB中,信號(hào)傳播速度是約為15 cm/ns。如果我們以15cm長(zhǎng)的導(dǎo)體來(lái)傳信號(hào),信號(hào)從這頭傳到那頭就要1ns的時(shí)間,一個(gè)500MHz的時(shí)鐘信號(hào)在里面?zhèn)鞑?,就是一個(gè)波的峰頭還沒(méi)到,第二波形又發(fā)出去了。這樣一個(gè)波一個(gè)波的傳過(guò)去,返回的電流一直從傳播路徑上走。

信號(hào)傳播,也相當(dāng)于在給沿途的寄生電容充電,寄生電容的負(fù)端就有返回電流了。

圖9:耦合產(chǎn)生寄生電容的返回模型
為什么要講返回路徑

我們?yōu)槭裁匆v返回路徑,返回路徑是信號(hào)傳播的原動(dòng)力,只有讓返回路徑暢通,信號(hào)傳播途中才有電壓差,才使信號(hào)向前走。所以返回路徑是電子電路必不可少的,是設(shè)計(jì)PCB特別是高速電路一定要考慮的,否則,就有串?dāng)_,反射,過(guò)沖,波形畸變等各種情況產(chǎn)生,電路工作不正常。返回路徑就是參考面,參考平面是阻抗的一大因子。

在下圖中,是單端導(dǎo)線的截面圖,阻抗與H1成正比,與Er成反比,與W1、W2、T1成反比,大家可以看出,W1,W2,T1是一個(gè)梯形面,這三個(gè)參數(shù)組成的就是導(dǎo)體截面,實(shí)際阻抗與導(dǎo)線截面積成反比。也就是說(shuō),特性阻抗是與導(dǎo)體截面積、導(dǎo)體到參考平面的距離和導(dǎo)體到參考平面間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的。

圖10:導(dǎo)線與參考面截面
我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí),要設(shè)計(jì)好參考平面

我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB板時(shí),設(shè)計(jì)好參考平面,如四層板,中間兩層是參考層;六層板,第二層和第五層是參考層。參考平面可以是地層,也可以是電源層,以地為參考層更好。

圖11:四層板疊層

六層板的第一層和第三層以第二層為參考平面,第四層和第六層以第五層為參考平面,要使第三層和第四層相互影響較小,可以把PP片3的厚度加大,厚度加大到遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(三倍以上)PP片2的厚度時(shí),它們間的影響就非常小了。如PP片2和PP片4的厚度為3mil,PP片3的厚度為10mil,這時(shí),你用阻抗計(jì)算軟件算第三層或第四層信號(hào)線的阻抗,你用微帶線和帶狀線的模型去計(jì)算,計(jì)算的結(jié)果相差不大。

用這個(gè)比喻大家就明白了,月亮到地球的距離是38萬(wàn)公里,地球到太陽(yáng)的距離是1.5億公里,太陽(yáng)的質(zhì)量和體積都比地球大得非常多,但對(duì)月球的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及地球,原因就是月亮到地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到太陽(yáng)的距離。所以大家在對(duì)待多層數(shù)復(fù)雜電路板的時(shí)候,找好一個(gè)參考層,讓其它層遠(yuǎn)離這個(gè)信號(hào)層,讓指定的這個(gè)參考層為主影響,這時(shí),我們?cè)O(shè)計(jì)的阻抗疊層模型就要簡(jiǎn)單很多。

圖12:六層板疊層
參考層中間斷面或打孔過(guò)多造成隔斷怎么辦

參考層要完整覆蓋信號(hào)走線,中間斷面或打孔過(guò)多造成隔斷,都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。但很多時(shí)候?yàn)榱顺杀究紤]用合理的層數(shù),信號(hào)要換層,參考面也可能是兩個(gè)電源平面,中間是分?jǐn)嗟模@時(shí)就要有方法處理下。信號(hào)線換層時(shí),也要考慮返回電流的回路,所以參考層變了,也要把回路聯(lián)通,對(duì)于參考層不是一個(gè)電平的,要在兩個(gè)電平參考層間加電容連接,如下圖:

圖13:信號(hào)線穿過(guò)兩個(gè)參考面

參考層變化了,阻抗就就變了。參考層電平不一樣,又不能直接連通,這時(shí)就加電容來(lái)連接。電容有通交隔直的作用,在兩個(gè)不同電平的參考面間加電容,給高頻信號(hào)一個(gè)返回通路,也使阻抗不連續(xù)變好一些。

上面講了一部分阻抗設(shè)計(jì)知識(shí),當(dāng)然這些知識(shí)是我們平常很少注意的地方,也從另一個(gè)側(cè)面來(lái)理解阻抗。要徹底搞懂阻抗知識(shí)及用好它,我們還有很多知識(shí)點(diǎn)需要補(bǔ)充,這些知識(shí)點(diǎn)很容易在書(shū)本上看到的,也要花很多功夫?qū)W習(xí)。

做PCB設(shè)計(jì),把元件布好和連接好導(dǎo)線只算低層次。要想你設(shè)計(jì)的電路板可靠地工作,還有非常多的知識(shí)要補(bǔ)充學(xué)習(xí),再靈活應(yīng)用。。

簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法,也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求

你不想搞懂高深的理論知識(shí),下面說(shuō)一下簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法,也可以讓你設(shè)計(jì)的高速PCB電路達(dá)到阻抗要求。你在設(shè)計(jì)PCB時(shí),單端信號(hào)線走線寬度設(shè)置成一個(gè)寬度,差分(雙端)走線設(shè)置為另一寬度,電源線等過(guò)電流的線按電流要求又設(shè)置成其它寬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),如單端線寬設(shè)為5mil,差分的設(shè)為4.5mil,線間距都為5mil,當(dāng)然還要考慮參考平面。這樣,你在發(fā)板要求里給生產(chǎn)廠家說(shuō)明,說(shuō):線寬為5mil的都給做成50歐姆阻抗,線寬為4.5mil的為差分線,做成100歐姆阻抗就行了。這里說(shuō)明的是每種阻抗做一種寬度,生產(chǎn)廠家就會(huì)按你的要求給你計(jì)算生產(chǎn)成你要的阻抗要求了。當(dāng)然,你做的線寬還是要先用阻抗計(jì)算軟件計(jì)算下,誤差大了,生產(chǎn)廠家給你調(diào)整不了的。

簡(jiǎn)單說(shuō)明就是,你是不同的阻抗用不同線寬,他們就會(huì)把這個(gè)線寬選擇出來(lái)調(diào)整,他們可以改變線寬、線間距、介質(zhì)材料、銅厚度、介質(zhì)厚度等來(lái)滿足阻抗要求。在設(shè)計(jì)之前也要多和廠家溝通,調(diào)整設(shè)計(jì)元素,減少?gòu)S家的調(diào)整難度。

致遠(yuǎn)產(chǎn)品從低速到高速,從單機(jī)產(chǎn)品到復(fù)雜產(chǎn)品,以致今天我們做高端儀器儀表,是我們十幾年里不斷的摸索學(xué)習(xí),下了很多心力,才在高速?gòu)?fù)雜電路上有所建樹(shù)。今天我們的高端儀器,有高速FPGA,高速DSP,DDR2/DDR3多內(nèi)存組成的大系統(tǒng),我們能使它穩(wěn)定可靠的工作,全靠這些理論知識(shí)加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合。如我們做了氣體分析記錄儀器,單板用了22片DDR內(nèi)存,我們PA系列功率分析儀,板卡內(nèi)是DSP+FPGA組成的復(fù)雜系統(tǒng),板卡間跑PCIE高速信號(hào),這些都靠我們的扎實(shí)豐富的理論加實(shí)踐知識(shí)去完成的。

任何一門(mén)知識(shí)都不是單獨(dú)存在的,它都和其它知識(shí)組成系統(tǒng)知識(shí),只有在相關(guān)知識(shí)上都了解情況下,再融合貫通,靈活應(yīng)用,才能做出好的作品來(lái)。