ADIForum

ADI设计峰会——高速和RF设计考虑

ADIForum 員工 在 2014-6-6 建立的討論區
最後回覆由ADIForum於2014-6-6提供

实现更高信号处理性能的高级技术

 

◆ 今日议程

  • PCB布局概览
  • 原理图
  • 关键元件定位和信号布线
  • 电源旁路
  • 寄生效应、过孔和放置
  • 接地层
  • 布局回顾
  • 总结

 

概述

  •    何为高速?

         超出此频率,PCB将极大地降低电路性能。(The frequency above which a PCB can significantly degrade circuit performance.) 50MHz及以上可视为高速。

 

  • PCB布局是设计流程的最后步骤之一,往往未得到足够的重视。高速电路的性能与电路板布局密切相关。
  • 今天我们将介绍
    • 一些实用的布局原则,它们有利于:
    • 完善布局流程
    • 帮助确保电路的预期性能
    • 缩短设计时间
    • 降低设计成本

 

原理图

  • 良好的布局要以出色的原理图为基础!
  • 原理图基本功能
    • 表示实际电路连接
    • 生成用于布局的NetList
  • 能更高效吗?
    • 能更清楚地表示功能吗?
    • 其他人能够理解电路
    • 能显示信号路径吗?
    • 协助布局
    • 协助故障排除、调试
    • 表示功能
  • 能更吸引人吗?
    • 可增加认知价值
  • 有效的原理图可加快产品上市速度

 

QQ截图20140606121946.png

原理图 示例。看上去好点了吗?

QQ截图20140606122013.png

原理图 一个更复杂的电路

QQ截图20140606122252.png

 

元器件放置和信号布线

    • 就如房地产一样,位置决定一切!
    • 电路板上的输入/输出和电源连接一般都是既定的
    • 元器件的位置和信号路由需要谨慎考虑、细致规划
  • 板层的使用

QQ截图20140606122614.png

  • 板层的挖空

QQ截图20140606122800.png

  • 信号布线

QQ截图20140606123006.png

          位置已优化 – 理想

          位置未优化 – 尽量减少交叉

  • 回路路由

QQ截图20140606123146.png

  • 示例

 

QQ截图20140606123254.png

    • 两个输入。二者确保平衡。
    • 增益和反馈。二者确保对称。
    • 输出。二者确保对称。
    • 电平转换接入信号路径。二者确保对称。
    • 辅助功能。
    • 关键信号路径尽量短。
    • 关键信号路径采用备用路径,保持平衡。

 

  • 封装和引脚排列选项

QQ截图20140606123512.png

   封装在高速应用中发挥着重要作用

  • 小型封装
    • 更佳的高频响应
    • 紧凑的布局
    • 更低的封装寄生效应

QQ截图20140606123521.png

  • 低失真引脚排列(专用反馈)
    • 紧凑的布局
    • 流线型信号流
    • 更低失真

 

 

AD8099谐波失真与频率的关系 

   CSPSOIC封装

QQ截图20140606123850.png

  • PCB

 

QQ截图20140606124417.png

  • 典型62mil(1.6mm) 6PCB层叠

QQ截图20140606124453.png

          顶部丝印

    • 与底部丝印相同
    • 印有组装和/或元器件ID
    • 仅提供信息。不影响性能。非必须
    • 信息包括文字、线条、形状。
    • 若信息放置的位置未经仔细考虑,信息将毫无用处。
    • 文字的高度与线条宽的比值应
    • 文字的高度与线条宽度的比值应大于12,以便文字可辨认。
    • 不要将文字放在过孔、孔洞、接合焊盘位置。
    • 接合焊盘之间保持最小距离。
    • 各厂商产品质量有所不同,边沿尖利到肮脏都有可能。
  • PCB材料选择示例
    • Isola 类型
  • 常见通用材料。
    • 无铅焊接的高温版本
    • 高介电常数:4.7-4.2。产生高寄生电容
    • 额定值为1 GHz
    • 受控阻抗走线一致性尚可,但并非最佳。
  • Rogers – PTFE类型
    • 良好的高频、高温材料
    • 低介电常数。2.2及以上。可降低寄生电容
    • 成本高
    • 良好的阻抗一致性
    • 额定值为10 GHz
  • 许多其他厂商。某些厂商性能规格与上述类似。

 

  • 元器件接合焊盘设计

     接合焊盘尺寸

    • 通常比元器件焊盘大30%
    • 可使用烙铁
    • 可目测检查焊点
    • 可接受具有较大定位误差的元器件
    • 增加寄生电容 降低有效可用频率
    • 增加焊锡桥接的可能性
    • 需要更多电路板空间

     ◆最低尺寸超标值:比元器件焊盘大0-5%

    • 保持机械强度
    • 元器件和PCB 之间的接触区域不变
    • 降低寄生电容 保持 更高的可用频率
    • 减少所需电路板空间

       ◆焊盘形状

    • 通常为矩形带尖角
    • 圆角允许焊盘至走线间隔更 紧密。减小电路板尺寸。

 

 

QQ截图20140606125246.png

信号布线

  • 使用GNDPWR
    • 使用“焊盘过孔”法将焊盘与层相连,可最大程度降低寄生效应
  • 将功能模块的元器件尽可能靠近放置
    • 手动放置时,0.5 mm的器件间隔便已足够
  • 最大程度减少信号走线上的过孔。越少越好。
    • 保证同一个功能模块中的走线位于同一层。
  • 使用隔板电容进行旁路
  • 保持相邻板层之间尽可能靠近
    • 避免不必要的过孔穿透板层。
    • 避免挖空板层
  • 尽量保持走线笔直
    • 尽可能减少转向和转弯

示例

QQ截图20140606140909.png

性能与PCB

QQ截图20140606141044.png

性能与元器件位置

QQ截图20140606141142.png

串扰和耦合

  • 容性串扰或耦合
    • 源于上下平行走线,结果形成寄生电容
    • 解决办法是垂直走线,减少走线耦合和面积
  • 感性串扰
    • 感性串扰源于长距离并行走线之间磁场的交互作用
    • 感性串扰分为两类:正向和逆向
    • 逆向串扰指离受影响走线上的驱动器最近的噪声
    • 正向串扰指离所驱线路上的驱动器最远的噪声
  • 通过以下方式尽量减少串扰
    • 增加走线间隔(改进隔离)
    • 使用防护走线
    • 使用差分信号

电源旁路

  • 旁路是确保高速电路性能的必要手段
  • 把电容置于电源引脚处
    • 电容提供低阻抗交流回路 
    • 为快速上升/下降沿提供局部电荷存储空间

 

QQ截图20140606141426.png

  • 尽量缩短走线长度

 

QQ截图20140606141854.png

QQ截图20140606141902.png

  • 靠近负载回路
    • 有助于减少接地层中的瞬态电流

 

QQ截图20140606142209.png

优化的负载和旁路电容放置和地回

QQ截图20140606142359.png

电路板电容

QQ截图20140606142648.png

电源层电容

QQ截图20140606142742.png

电容模型

QQ截图20140606142831.png

电容选择

QQ截图20140606143006.png

电源旁路

QQ图片20140606143125.jpg

  • 旁路是确保高速电路性能的必要手段
  • 把电容置于电源引脚处
    • 电容提供低阻抗交流回路
    • 为快速上升/下降沿提供局部电荷存储空间
  • 尽量缩短走线长度
  • 靠近负载回路
    • 有助于减少接地层中的 瞬态电流
  • 价值
    • 单个电路的性能
    • 使交流阻抗保持于低位
    • 多次谐振
  • 铁氧体磁珠

多个并联电容 

QQ截图20140606143351.png

寄生效应

QQ截图20140606143433.png

走线/焊盘电容和电感

QQ截图20140606143656.png

  • 内部或底部板层
    • 形成隔板电容,其下有电源层(未显示)。
  • 间距
    • 较长的距离可消除与其上受控阻抗层的相互影响。
  • 受控阻抗层
    • 顶部信号层的走线,与该层之间的距离形成传输线,具有特性阻抗。
  • 顶部(信号)层
    • 具有信号走线和元件接合焊盘。
    • 走线为传输线路,具有特性阻抗
  • 顶部焊接屏蔽
    • 可影响特性阻抗

走线/焊盘电容和电感

QQ截图20140606143922.png

过孔寄生效应

QQ截图20140606144051.png

过孔放置*

QQ截图20140606144153.png

电容寄生模型

QQ截图20140606144302.png

     C = 电容

     RP = 绝缘电阻

     RS = 等效串联电阻(ESR)

     L = 引脚和层板的电感

     RDA = 电介质吸收

     CDA = 电介质吸收

电阻寄生模型

QQ截图20140606144412.png

     R = 电阻

     CP = 并联电容

     L= 等效串联电感(ESL)

低频运算放大器原理图

QQ截图20140606144504.png

高速运算放大器原理图

QQ截图20140606145056.png

高频运算放大器原理图

QQ截图20140606145135.png

寄生电容仿真原理图

QQ截图20140606145219.png

寄生电容为1.5pF时的频率响应 

QQ截图20140606145301.png

寄生电感

QQ截图20140606145345.png

寄生电感仿真原理图

QQ截图20140606145427.png

有接地平面和没有接地平面两情况冲响

QQ截图20140606145506.png

  •     振荡显示了高速运算放大器同相输入端长度为2.54cm的走线的影响。
  • 其等效电感约为29nH,足以造成持续的低压振荡。

 

接地层和电源层提供

  •    共同参考点
  • 屏蔽
  • 降低噪声
  • 减少寄生效应
  • 散热
  • 功率分布
  • 高值电容

 

有关接地层和电源层的建

  •    不存在100%有效的单一接地方法!
  • PCB板必须至少有一层专用于接地层!
  • 尽量增加接地层,尤其是在高工作频率的走线下方
  • 尽量使用可行的厚金属(降低电阻、增进散热)
  • 使用多个过孔将相同的接地层连在一起
  • 开始设计布局时,为模拟和数字接地层设置专用层,仅在必要时分离
  • 遵循混合信号器件数据手册提出的建议。
  • 使旁路电容和负载回路尽量靠近,以降低失真
  • 为模拟和数字接地层的连接提供跳线选项

 

 

内容回顾

  •     高速PCB的设计需要深思熟虑、注重细节!
  • 在原理图上提供尽量多的信息
  • 元件在电路板上的位置就像整个电路的定位一样重要
  • 设计电路板布局时要有预见性,切勿听天由命
  • 在电源旁路中使用多个电容
  • 必须考虑并处理好寄生效应
  • 接地层和电源层在降低噪声、减少寄生效应方面发挥着关键作用
  • 新型封装和引脚排列有利于改善性能、提高布局的紧凑性
  • 信号分布有多种方式可供选择,切记选择适用的方式
  • 检查布局时千万要仔细

 

电磁兼容性(EMC)

  • EMC有两个方面:
    • 它表示电子系统保持正常工作且不干扰其它系统的能力
    • 它还表示此类系统在额定电磁环境中按预期工作的能力
  • 主要的规范为IEC-60050IEC1000
  • 详细信息,可参考ADI网站上的指南MT-095和模拟对话30-4 (www.analog.com)
  • 不符合这些要求将会影响设备性能
  • 不符合这些要求将严重限制设备出售给客户的能力

結果