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高速線路PCB設(shè)計(jì):傳輸線效應(yīng)

2022/04/21
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在高速線路中,由于傳輸線阻抗變化的問題,會(huì)有一部分的信號(hào)能量被反射,假設(shè)信號(hào)是一個(gè)跑步的人,人從A端想要跑到B端,在人經(jīng)過線路每一塊的導(dǎo)體時(shí)都會(huì)改變其電壓值,一開始他在阻抗為50Ω的線路上跑,碰到過孔時(shí)阻抗的變化會(huì)產(chǎn)生讓其速度變慢并產(chǎn)生一定的反彈,一直到終端為1MΩ時(shí),此時(shí)幾乎帶著100%的能量被反彈回A端,反彈到A端時(shí),由于A端為25Ω,會(huì)有一部分能量被留住,一部分能量被反彈,反彈的能量約為初始值的1/3。而這1/3的信號(hào)再次到達(dá)B端后,又會(huì)被反射,以此類推。在示波器上可以看到信號(hào)的上升沿和下降沿產(chǎn)生振蕩直至能量減弱信號(hào)幅度隨之減小。

基于上述模型,傳輸線會(huì)對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)帶來一下效應(yīng):反射信號(hào)、延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤、多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤、過沖與下沖、串?dāng)_、電磁輻射

信號(hào)輪廓失真

信號(hào)在接收端將被反射,信號(hào)輪廓將失真。失真變形的信號(hào)對(duì)噪聲的敏感性、EMI若顯著增加,這可能會(huì)造成整改系統(tǒng)的失效。

反射信號(hào)產(chǎn)生的主要原因:過長的布線、未進(jìn)行阻抗匹配的接收端、未進(jìn)行阻抗匹配的傳輸線(由于過量電容電感阻抗失配

信號(hào)延時(shí)

信號(hào)在邏輯電平的高、低門限之間變化時(shí),信號(hào)遲滯不跳變。過多的信號(hào)延時(shí)可能導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤和元器件功能混亂,通常在多個(gè)接收端時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。

信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的主要原因:驅(qū)動(dòng)過載、布線過長

信號(hào)電平錯(cuò)誤

信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近,在跳變的過程中可能多次跨越邏輯電平門限,導(dǎo)致邏輯功能紊亂。

信號(hào)過沖與下沖

布線太長或信號(hào)變化太快都可以導(dǎo)致過沖與下沖發(fā)生,雖然大多數(shù)芯片器件接收端有輸入保護(hù)二極管,但有時(shí)這些過沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過器件的電壓范圍,導(dǎo)致器件損壞。

信號(hào)串?dāng)_

在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過時(shí),與之相鄰的信號(hào)線上會(huì)感應(yīng)出相關(guān)信號(hào),異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)更容易產(chǎn)生串?dāng)_。

解決串?dāng)_的方法:移開發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號(hào)。信號(hào)距離地平面越近,或者加大線間距,都可以減少串?dāng)_的發(fā)生。

電磁輻射

電流流過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在電磁干擾(EMI)中,包括產(chǎn)生過量的電磁輻射和對(duì)電磁輻射的敏感性兩個(gè)方面。數(shù)字系統(tǒng)處理快速的時(shí)鐘和周期轉(zhuǎn)換率,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)向周圍環(huán)境輻射電磁波,從而使周圍環(huán)境中正常工作的電子設(shè)備收到干擾,而模擬電路,由于本身的高增益,會(huì)成為易受影響的電路。

EMI產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高及布局、布線不合理。

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