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第16章 电子线路信号完整性设计规则
电子线路信号完整性设计规则
何宾
2015.07
学习内容和目标
信号完整性问题的产生
电源分配系统及其影响
信号反射及其消除方法
信号串扰及其消除方法
电磁干扰EMI及解决
差分信号设计要求
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信号完整性问题的产生
--背景
目前,速度成为了许多系统设计中最为重要的因素。
100MHz到几个GHz的处理器已经非常普及。
将来会有更高速的器件出现,以适应人们对于大量数据的处理。
例如 :图形处理、音频和视频处理。
高速系统的设计需要设计人员的智慧和仔细的工作。
在高速系统中,噪声的产生是一个最值得关注的问题。
高频信号很容易由于辐射而产生干扰,高速变化的信号会导致振
铃、反射、串扰等。
如果没有经过认真的检查,这些噪声会严重的降低系统的性能。
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信号完整性问题的产生
-- 电源分配系统及其影响
在高速电路板的设计中,最重要的考虑就是电源分配网络。
电源分配网络必须为电路板各个部分的电路,提供一个低噪声的电源,其
中包括:电源和地。
注:一个干净的电源和一个干净的地同等重要。这是因为对于交流信号来说,电
源就是地。
电源分配网络同时还得为电路板上的所有产生或接收的信号提供
一个信号回路。
设计人员经常忽略这个问题,这是因为在低频电路中,信号回路的影响并
不明显。
许多PCB设计在忽视信号回路时,也能工作的不错。
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电源分配系统及其影响
--理想的电源不存在
具有这些特性的电源,可表示为一个理想的电压源,它的阻抗是
0。
0阻抗保证了电源端的电压与负载端的电压一致。
因为,噪声源的源阻抗相对于电源的0阻抗为无穷大,所有的噪声都将被
这个理想的电源所吸收。
遗憾的是,这仅仅是一个理想而已。
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电源分配系统及其影响
--理想的电源不存在
下图给出了一个实际电源的描述。
该电源具有一定的阻抗,图中这个阻抗用电阻、电感、电容网络的形式
表示。
事实上,阻抗分布于整个电源分配网络。
因此,噪声将叠加在电源上。
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电源分配系统及其影响
-- 电源总线和电源层
电源设计的目标就是要尽可能地减少电源分配网络的阻抗。
在设计中,电源分配网络的形式可分为总线式和电源层式。
通常,电源层式比总线式有更好阻抗特性。
但实际上,有的情况下,总线会更好。
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电源分配系统及其影响
-- 电源总线和电源层
如下图所示,总线系统由一组具有电路板所需的各个电压的电源
线组成。
电源总线与信号线在同一个层中,为所有器件提供电源同时还得为信号线
挪出空间,所以电源线总是趋于长且细的带状线。
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电源分配系统及其影响
-- 电源总线和电源层
如下图所示,电源层系统则是由一个或多个电源层或多个层的电
源部分组成。
电源层式的电源分配方案,由于电源通过整个层的金属来分配电源,其电
源阻抗会小得多,所以电源噪声也会比总线式的小的多。
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电源分配系统及其影响
--印制电路板的去耦电容配置
单单的电源层并不能消除电源线路噪声,这是因为电子系统几
乎都会产生足够引起问题的噪声。
不管采用哪种电源分配方案,电源线路都需要抑制噪声和滤波。
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电源分配系统及其影响
--印制电路板的去耦电容配置
通常情况下,使用去藕电容来滤波。
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