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高速PCB规划攻略之七

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第一篇 PCB基本概念
1、“层(Layer) ”的概念     与字处理或其它许多

高速PCB规划攻略之七


第一篇 PCB根本概念


1、“层(Layer) ”的概念
    与字处理或其它许多软件中为完结图、文、颜色等的嵌套与组成而引进的“层”的概念有所同,Protel的“层”不是虚拟的,而是印刷板资料本身实真真实的各铜箔层。如今,由于电子线路的元件密布设备。防搅扰和布线等特别要求,一些较新的电子产品中所用的印刷板不只需上下双面供走线,在板的中心还设有能被特别加工的夹层铜箔,例如,现在的核算机主板所用的印板资料多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简略的电源布线层(如软件中的Ground Dever和Power Dever),并常用大面积填充的办法来布线(如软件中的ExternaI P1a11e和Fill)。上下方位的外表层与中心各层需求连通的当地用软件中说到的所谓“过孔(Via)”来沟通。有了以上解说,就不难了解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。举个简略的比如,不少人布线完结,到打印出来时刚才发现许多连线的终端都没有焊盘,其实这是自己添加器材库时疏忽了“层”的概念,没把自己制作封装的焊盘特性界说为”多层(Mulii一Layer)的原因。要提示的是,一旦选定了所用印板的层数,有必要封闭那些未被运用的层,避免惹事生非走弯路。


2、过孔(Via)
  为连通各层之间的线路,在各层需求连通的导线的文汇处钻上一个公共孔,这便是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学堆积的办法镀上一层金属,用以连通中心各层需求连通的铜箔,而过孔的上下双面做成一般的焊盘形状,可直接与上下双面的线路相通,也可不连。一般来说,规划线路时对过孔的处理有以下准则:
(1) 尽量少用过孔,一旦选用了过孔,有必要处理好它与周边各实体的空隙,特别是简略被忽视的中心各层与过孔不相连的线与过孔的空隙,假如是主动布线,可在“过孔数量最小化” ( Via Minimiz8TIon)子菜单里挑选“on”项来主动处理。
(2) 需求的载流量越大,所需的过孔尺度越大,如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。


 3、丝印层(Overlay)
  为便利电路的设备和修理等,在印刷板的上下两外表印刷上所需求的标志图画和文字代号等,例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、出产日期等等。不少初学者规划丝印层的有关内容时,只留意文字符号放置得规整漂亮,疏忽了实践制出的PCB作用。他们规划的印板上,字符不是被元件挡住便是侵入了助焊区域被抹赊,还有的把元件标号打在相邻元件上,如此种种的规划都将会给设备和修理带来很大不方便。正确的丝印层字符安置准则是:”不出歧义,见缝插针,漂亮大方”。  


4、SMD的特别性
  Protel封装库内有许多SMD封装,即外表焊装器材。这类器材除体积细巧之外的最大特点是单面散布元引脚孔。因而,选用这类器材要界说好器材地点面,避免“丢掉引脚(Missing Plns)”。别的,这类元件的有关文字标示只能随元件地点面放置。


5、网格状填充区(External Plane )和填充区(Fill)
  正如两者的姓名那样,网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的,填充区仅是完好保存铜箔。初学者规划进程中在核算机上往往看不到二者的差异,实质上,只需你把图面扩展后就一望而知了。正是由于往常不简略看出二者的差异,所以运用时更不留意对二者的区别,要着重的是,前者在电路特性上有较强的按捺高频搅扰的作用,适用于需做大面积填充的当地,特别是把某些区域作为屏蔽区、切割区或大电流的电源线时尤为适宜。后者多用于一般的线端部或转机区等需求小面积填充的当地。


6、焊盘( Pad)
  焊盘是PCB规划中最常触摸也是最重要的概念,但初学者却简略忽视它的挑选和批改,在规划中千人一面地运用圆形焊盘。挑选元件的焊盘类型要归纳考虑该元件的形状、巨细、安置办法、振荡和受热状况、受力方向等要素。Protel在封装库中给出了一系列不同巨细和形状的焊盘,如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等,但有时这还不够用,需求自己修改。例如,对发热且受力较大、电流较大的焊盘,可自行规划成“泪滴状”,在咱们了解的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的规划中,不少厂家正是选用的这种办法。一般来说,自行修改焊盘时除了以上所讲的以外,还要考虑以下准则:
  (1)形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的巨细差异不能过大;
  (2)需求在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍;
  (3)各元件焊盘孔的巨细要按元件引脚粗细别离修改确认,准则是孔的尺度比引脚直径大0.2- 0.4毫米。


7、各类膜(Mask)
   这些膜不只是PcB制作工艺进程中必不行少的,并且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所在的方位及其作用,“膜”可分为元件面(或焊接面)助焊膜(TOp or Bottom 和元件面(或焊接面)阻焊膜(TOp or BottomPaste Mask)两类。 望文生义,助焊膜是涂于焊盘上,进步可焊功用的一层膜,也便是在绿色板子上比焊盘略大的各淡色圆斑。阻焊膜的状况正好相反,为了使制成的板子习惯波峰焊等焊接办法,要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡,因而在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料,用于阻挠这些部位上锡。可见,这两种膜是一种互补联系。由此评论,就不难确认菜单中
相似“solder Mask En1argement”等项意图设置了。


8、飞线,飞线有两重意义:
  (1)主动布线时供调查用的相似橡皮筋的网络连线,在经过网络表调入元件并做了开端布局后,用“Show 指令就能够看到该布局下的网络连线的穿插状况,不断调整元件的方位使这种穿插最少,以取得最大的主动布线的布通率。这一步很重要,能够说是磨刀不误砍柴功,多花些时刻,值!
别的,主动布线完毕,还有哪些网络没有布通,也可经过该功用来查找。找出未布通网络之后,可用手艺补偿,真实补偿不了就要用到“飞线”的第二层意义,便是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是,假如该电路板是大批量主动线出产,可将这种飞线视为0欧阻值、具有一致焊盘间隔的电阻元
件来进行规划.


第二篇 避免混合信号体系的规划圈套


内容:要想成功的运用现在的SOC,板级和体系级规划师有必要了解怎么最好地放置元件,安置走线,以及运用维护元件。


      它们被称为数码式蜂窝电话,但其间所包含的模仿功用,比较起所谓的模仿蜂窝电话之前度种类还要多。事实上,需求处理接连状况值(例如语音,印象,温度,压力等)的任何体系,都会有它的模仿功用,那怕是在其姓名里呈现数码式这个词语。今日的多媒体PC也毫无例外,它们有着语音和印象的输入和输出,对发热的中心处理机进行火急的温度监示,以及高功用调制解调器,这些体系相同地,其混合信号功用清单上的项目也愈来愈多。
      两种体系的趋势对於进行混合规划的人们来说,又带来了新的应战。便携式通讯和运算器材的体积重量不断削减,但又不断地推高功用。而桌面体系又不断进步中心处理机才干和通讯周边的速度。必定的是,在规划现代的数码电路板一同又要避免振铃、噪声引致的过失,和地电位跳动等问题,真实恰当困难的。可是,当你添加那些易受噪声影响的模仿信号线路迫临於方波鼓励的数码式数据线路,问题更为严峻。
      在芯片级,现时的SOC(芯片上的体系)需求有逻辑电路、模仿电路,以及热动力学规划方面的专才。要成功地运用这些IC,板级和体系级规划师需求了解怎么最好地放置元件,安置走线,以及运用维护元件。
      本文叙述的是现时混合信号体系规划中的常见圈套,并供给一些指引以铲除或移开它们。不过,在讨论特定问题和作出提议之前,先具体看看体系规划的两种潮流—小型化和高速化—怎么影响这些问题,会有很大的协助。


   1、 “小型化”的趋势
      拿1999年的蜂窝电话与五年前的产品作个比较,芯片数目少得许多,重量和体积大幅削减,电池寿数大幅延伸。在这个进程中,首要要素是混合信号IC处理计划中有很大发展。不过,跟着芯片几许尺度的减缩,电路板上布线的间隔趋近,物理学的规则开端呈现出来。
      并行的走线愈来愈挨近发作了愈来愈大寄生电容耦合,而这简直是和间隔平方成反比联系的成果,曾经只需少量几根走线的空间,现在纳入了许多走线,成果,乃至是不相邻的走线之间的电容性耦合也会构成问题。
      蜂窝电话,由其性质所决议,是被人拿着运用的设备。在低温度的日子里,你正在地毯上走来走去,然後拿起蜂窝电话,接着“啪”—这就会把一个高电压,静电放电(ESD)脉冲传到这个设备那里。假如没有恰当的ESD维护,一个或多个IC有或许遭到损坏。不过,添加外部元件来维护ESD的损坏又会与小型化趋势相违反。
      另一个问题是动力管理,蜂窝电话用户期望电池的两次充电之间隔愈长愈好。这意味着DC-至-DC转化器有必要是很高功率的。开关技能是它的答案,但在此状况下,转化器也成了它自己的潜在噪声源。所以有必要当心挑选、放置转化器,也要当心进行互连。还有,由於体积是不行忽视的要素,应该挑选能够选用物理尺度最小的无源元件的那种部件。假如选用线性稳压器的话,应该挑选超低压差式的,可让输出坚持於最小电池电压。这就能让电池不再供给满足电能之前尽行地放电。


   2、 “高速化”趋势
      将1999年中档PC的规范与五年前的比较较,它的中心处理机速度进步了大约一个数量级,而由CPU耗费的电流也进步了约一个数量级。当你将高速度和大电流结合一同,V=L(di/dt)联系式中的“di/dt”部份大幅地进步。事实上,电路板中半寸长的地线或许会感应起超越1伏特的电压於其上。对於转化器来说,地电位参阅线会感应电压的话,或许导致运作中止。
    为要达致这些更高的速度,IC在规划和制作上都选用深度次微米尺度(例如0.35μm)。这虽然减缩了几许尺度而得到快得多的功用,但也会令这些器材更简略引起锁上(latch-up)及由瞬变引起的危害。并且,这些器材也要求更紧逼的动力管理以契合愈来愈严厉的答应电压规模。
      现时的10/100Ethernet网络介面卡(NIC)便是杰出的比如,本来的10Base-T芯片是大尺度的CMOS器材,对於过电压损坏相对地是不那麽灵敏的。可是,新式的芯片选用了0.35μm的线宽,对於锁上以及因瞬变而失效十分灵敏—因电能引致和雷电引致的瞬变。
      现代的服务器,具有SMP(对称多处理才干)的体系结构,以及CPU以500MHz或以上的频率来运作,便是动力散布应战方面的好比如。你不行以简略地制作一个5V电源并把布线引到相应的总线。以500MHz上限达20A或30A的电流开关,它要求於每个运用点(point-of-use)实践上有独立的转化器,还加上一个更大的一级电压源对这些转化器的悉数进行供电。
    趋势要求具有热交换(hotswap)的才干,意味着你要能做到在现用体系里刺进或除下电路板。这样做也是预告会有瞬变发作的。如此一来,不论刺进的板抑或主板都有必要有恰当的维护作用。
      不论小型化或高速化的趋势都有其共同的问题。例如,大电流动力散布对於小型、便携、手持式设备来说,就不是个大问题。而对於桌面电脑和服务器来说,延伸的电池寿数也不会成为问题。不过,锁上和瞬变引致的损坏,在上述两方面都成为问题。


    3、锁上和瞬变
      对深度次微米IC从线宽的瞬变恶化了关於过电压状况的灵敏性,意味着你要聪明一点,对这些器材进行维护,但一同又不要影响它们的功用。
      在一个维护输入里,任何维护元件於正常运作下都有必要呈现为一个高阻抗电路。它有必要加载尽或许小的电容负荷,例如,假定它是对正常输入信号参加小小效应的话。不过,在过电压的一会儿,那同一个器材有必要成为该瞬变电能的首要通路,将它从受维护器材的输入中引开。还有,维护器材的接受电压应该高於它维护的引脚上的最大答应电压。同理,它的箝位电压要满足低,以避免受维护器材的损坏,这是由於在瞬变状况下,输入上的电压会是维护器材的箝位电压。
    曾经,瞬变电压按捺(TVS)二极管在印刷电路板上有用地将瞬变箝位。传统的(TVS)二极管是固态PN结器材,低至5V的电压也作业得很好。它们有快速的呼应时刻,低的箝位电压,高的电流浪涌才干—全都是所期望的特性。不过,传统TVS二极管的问题是低於5V以下会抬起它的头。在这里,它们所选用的雪崩技能是个妨碍。要在5V以下达致Stand-off电压,要选用高度的掺杂(在1018/cm-3或以上)。这反过来,又会引致更高的电容和漏电电流,两者都会危害高功用的。传统的TVS二极管具有电压相关的电容,随电压削减而添加。例如,在5V下,典型的ESD维护二极管会有400pF的结电容。咱们能够想像一下,这样的电容性负载加於100Base-TEthernet发射器或接纳器的输入节点,或加於通用串行总线(USB)输入,会有甚麽问题。并且,这些正正是最需求进行瞬变维护的那些电路类型。
      低於5V电压的状况下,传统的TVS二极管并非真实的选项。但这也不是说你再无可挑选的了。由加州伯克莱大学和Semtech公司(加州NewburyPark市)共同开发的一种新技能,供给了一向低至2.8V作业电压的瞬变和ESD维护。你能够在一系列的TVS器材中去选定一种,具有适宜的电容,stand-off电压,和箝位电压来契合自己体系的要求。之後,还要考虑应把该器材放在板上的甚麽当地,怎么给电路板布线等问题。
      在维护通路中的寄生电感会引起高电压的过冲及令IC损坏。在快速上升时刻瞬变的状况尤甚,例如ESD。由ESD感应起的瞬变,据IEC1000-4-2的界说,会在不到1纳秒(ns)内抵达它的峰值。以走线电感20nH/寸来核算,4份1寸走线自10A脉冲会引起50V的过冲。
      你有必要考虑一切或许的感应通路,包含地线回来通路,在TVS和维护线路之间的通路,以及由衔接器至TVS器材的通路。并且,TVS器材应该尽或许地挨近衔接器放置,以便将瞬变耦合到挨近的其他走线。
      一块10/100Ethernet板是需求进行瞬变维护的子体系。在Ethernet交换器和路由器中所用的器材是暴露在高能量,雷电感应瞬变之下的。而所用的深度次微米IC在规划上对过电压锁上又是极度灵敏的。在典型体系里,每个端口所用的双绞线对介面由两个不同的信号对所组成—一对用於发射器,另一对用於接纳器。发射器输入一般是最简略遭到损坏的,在一个线路对中会呈现有差异的丧命性放电,并且透过变压器以电容性地耦合到EtherneTIC。
      有一种状况是,信号频率很高(100Mbit/s)而供电电压又低(典型是3.3V),维护器材有必要有很低的容性负载,而其stand-off电压远低於5V。还有另一种状况,其间在维护通路中的寄生电感能够导致很大的电压过冲。为使功率说到最高,电路板的布线应该是,维护器和受维护线路之间的通路有必要减至最低,而在RJ45衔接器和维护器之间的通路长度也减至最低。


    4、热交换/即插即用
      愈来愈多的体系其规划是,在体系依然加电期间,答应插板或插头随时刺进和拔除。那些插板或插头会刺进到或拔除自带有信号,电源线和地线的插座,并且有很高时机发作瞬变。此外,该体系还能够动态地调整其电源,以习惯忽然添加或削减的电流负载。
      蜂窝电话或其他可携电子设备会无心地带电期间刺进到或拔除自充电的体系。这相同也会发作瞬变。在这里,除了瞬变维护之外,还需求有动力管理以习惯忽然添加或削减的电流负载。
      USB介面的规划,是给桌面体系与周边设备之间,进步一种高速的串行介接才干。还有,UB介面有一根电压供电线,可用来给衔接着的周边设备供电。假如没有负载刺进到USB插座里,它便是个开路的插座。由人体静电对该插座感应的ESD脉冲放电,会导通至电路板上,并会轻易地损坏USB操控器。
      你有必要保证这种高速总线里,不论数据线抑或电源线都采纳了维护。并且,虽然动力管理已被写入到USB的规范中,但ESD的维护却还没有。
      TVS器材能够用来供给恰当的ESD维护。元件的放置和通路的长度依然是重要的规划问题。相同的排布攻略应该细心参详。务令TVS和受维护线之间的通路变短,并且务令TVS器材尽或许挨近端口衔接器。
      依照USB规范的需求,应该选用固体电路动力分发开关器进行动力管理。在PC主机中,它们供给短路电流维护和过失陈述给操控器IC。在USB周边设备中,它们用来进行端口切换,过失陈述和供电电压斜降操控。


   5、 动力分配
      假如将PC的电流量改动与10年前的比较,增幅之大真实令人惊诧。再加上时钟频率的大幅添加,使得PC和服务器处於极高的di/dt环境之下。例如,若L为2.5μH及C等於4×1500μF,在负载上的瞬变其数量级为200mV峰对峰值,恢复时刻50微秒。使问题更杂乱的还有令CPU进入睡觉之类的办法,然後迅速地唤醒起来,所发作的瞬变是每微秒20至30A的规模,因而变成为动力管理上的头痛问题。
      从转化器观念来看,di/dt的值左右了对输出电容的挑选,更特定地是电容的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。低频运作的转化器需求用大的电容量来存储两个作业周期之间的电荷,这就要选用电解电容。这些电解电容虽然有很大的电容量,但随之而来也有大的ESR和ESL,两者都有违规划者心意的。此外,电解电容体积很大,不适合於外表设备技能和紧凑的封装。
      有一种替代的办法能够下降ESR和ESL的值,简化出产进程,削减实践体积。办法是选用稍高频率的转化器,你就能够挑选陶瓷电容来替代电解电容,并且得到上述的长处。一同,藉着选用多相转化器的计划,你更可将负载需求分管开来,每个转化器只需较少的输入电容,一同又能供给相同总量的电流才干。它的另一个长处是下降了输入纹波电流。在单相转化计划中,输入纹波电流等於输出的纹波电流之半。由此,对20A体系而言,其输入纹波电流是10A。可是,对於四相转化器计划,例如说,就会在这四个转化器中平分这种输出电流。现在每个供电为5A,而它们的输入纹波电流为2A。这就能够选用更小型,更廉价的输入电容器。
      DellComputers公司(德州RoundRock市)替它的高速电脑和服务器系列开发了一种分立式,多相脉宽调制(PWM)操控器和反向DC-to-DC转化器。其规划是要契合Intel公司的高档PenTIumCPU之急迫电能/动力管理的要求。该电路自此已由Semtech公司应Dell的要求加以集成起来。采纳了多相操控器和转化器的计划之後,你就要特别留意电路板的布线问题。高频下的大电流开关会影响地平面有电压的差异。
      电路的大电流部份应该先行布线,你应该选用地平面(groundplate),或应该引进阻隔或半阻隔地平面区域,约束地电流进入特定区域。由输入电容器和高端及低端驱动器输出FET构成的回路包含了悉数大电流,快速瞬变开关。衔接上应宽即宽及应短则短,以削减回路电感。这样做就会下降电磁搅扰(EMI),下降地注入的电流,并将源振铃减至最小以得到更牢靠的门电路开关信号。
      在上述两个FET接合点与输出电感器之间的衔接,应该是宽的径迹,一同尽或许地短。输出电容器应该尽或许挨近负载放置。快速瞬变负载电流是由这个电容器供给的,所以,衔接线应该既宽且短,以便把电感和电阻减至最小。
    操控器最好置於安静地平面区域内,避免输入电容器和FET回路中的脉冲电流流入这个区域。高低端地电位参阅引脚应该回来到极挨近操控扩展器封装的地那里。小信号模仿地和数码地应该衔接到其间一个输出电容器的地端。决不行以回来到在输入电容/FET回路内部的地。电流感测电阻回路应该坚持尽或许的短。


   6、 聪明地作业
      虽然上面的比如说明晰一些办法,可预知和避免混合信号体系的某些圈套,但这决不是巨细无遗的。每个体系都有其自己的应战事项,而每个规划师都有其共同的妨碍要跳越。不论抵挡的是更困难的维护,或更严厉的动力管理,挑选恰当的元件是首要进行的作业。在应战转化器,转化器操控器和TVS维护器材方面,有很广泛的挑选规模。把它们放置於电路板上的正确当地就会显出动力管理和维护方面有用与否的不同。深思熟虑的布线和地平面的装备则是第叁方面的要害问题。 用於低压电路的TVS
      电压低於5V时,传统的PN结型TVS实践上彻底不起作用。不过,有一种增强式穿通二极管(EPD),由加州柏克莱大学和Semtech公司研宣布来。
      和雪崩式TVS二极管传统的PN结构不同,这种EPD器材选用了更杂乱的n+p+p-n+四层结构。它在p+和P-层选用轻掺杂,避免反向偏置的n+p+结会进入雪崩状况。
      挑选npn结构而不是pnp结构,是由于它有更高的电子迁移率和改进的箝位特性。藉着当心架构制作P-基区,成果得到的器材於2.8V至3.3V电压规模内,取得了超卓的漏电,箝位和电容特性。


    7、饱食欲极大的PenTIum
      Intel的PentiumⅡ规范里,要求在500ns内电流由5A增高至20A,转化率为每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM操控器的才干还胜於使命所要求的。它供给了对多达四个反向DC-to-DC转化器的操控,得到所需的速度和精度。内建的5位元DAC可让输出电压作编程输出,由1.8至2.05V按50mV增量进行,由20至3.5V按100mV增量进行。
      这种多相技能发作了由90度相移分隔的四个准确输出电压。然後,这四个经数码式相移的输出一同求和,以得到所需的输出电压和电流容量。
      以每个转化器作业於2MHz来看,规划师能够选用陶瓷电容而非电解电容,并且得到体积小,可外表设备,以及更低的ESR和ESL的优点。



第三篇 信号阻隔技能


信号阻隔使数字或模仿信号在发送时不存在穿越发送和接纳端之间屏障的电流衔接。这答应发送和接纳端外的地或基准电平之差值能够高达几千伏,并且避免了或许危害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。阻隔可将信号别离到一个洁净的信号子体系地。在另一种运用中,基准电平之间的电衔接可发作一个关于操作人员或患者不安全的电流通路。信号的性质能够为电路规划人员指明体系可考虑的那些正确的IC。
      第一类阻隔器材依赖于无发送器和接纳器来跨过阻隔屏障。这种器材曾用于数字信号,但线性化问题迫使模仿信号阻隔选用变压器,用调制载波使模仿信号跨过这个屏障。变压器怎么说总是难弄的,并且一般不或许制成IC,所以想出了用电容器电路来耦合调制信号以跨过屏障。作用在阻隔屏障上的高转化率瞬态电压可做为单电容屏障器材的信号,所以已开宣布双电容差分电路以使差错最小。现在电容屏障技能已运用在数字和模仿阻隔器材中。


    1、阻隔串行数据流
      阻隔数字信号有很大挑选规模。假若数据流是位串行的,则挑选计划规模从简略光耦合器到阻隔收发器IC。首要规划考虑包含:
•所需的数据速率
•体系阻隔端的电源要求
•数据通道是否有必要为双向
      依据LED的光耦合器是用于阻隔规划问题的第一种技能。现在有几件依据LED IC可用,其数据速率为10Mbps及以上。一个重要的规划考虑是LED光输出随时刻减小。所以在前期有必要为LED供给过量电流,以使随时刻推移仍能供给满足的输出光强。由于在阻隔端或许供给电很有限,所以需求供给过量电流是一个严峻的问题。由于LED需求的驱动电流能够大于从简略逻辑输出级可取得的电流,所以往往需求特别的驱动电路。
      关于高速运用和在逻辑信号操控下使数据流反向转送的状况,可用Burr-Brown公司的ISO 150数字耦合器。图1示出ISO150的双向运用电路。通道1操控通道2的传送方向,并装备为从A端传送到B端。加到DIA引脚的信号确认信号的流向。送到B端的高电平把通道2的那一端置为接纳办法。而加到通道2A端Mode引脚的低电平则把通道置成发送办法。方向信号的状况在阻隔屏障的两头都有。此电路可作业在80MHz的数据率下。
      位串行通讯的第二种变形是正在发展中的差分总线体系设备。这些体系由RS-422、RS-485和CANbus规范描绘。某些体系很幸运地具有公共地,而许多体系具有不同电位的结点。当两结点相隔必定间隔时,状况就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是规划成用于可有这些运用的集成全双工阻隔收发器。此收发器可配制为半双工和全双工(见图2)。传输率可达2.5Mbps。此器材乃至还包含了环路(Loop-back)测验功用,所以每个结点都可履行自测验功用。在此办法期间,总线上的数据被疏忽。


   2、 阻隔并行数据总线体系
      并行数字数据总线的阻隔将添加三个更首要的规划参量:
•总线的位宽度
•容许的偏移度
•时钟速度要求
      用一排光耦合器可完结这种使命,但支撑电路或许很杂乱。光耦合器之间的传达时刻失配将导致数据偏移,然后引起在接纳端的数据差错。为使这种问题减至最小,ISO508阻隔数字耦合器(图3)支撑在输入和输出端的双缓冲数据缓存。这种装备将以2MBps的速率传输数据。
      ISO508有两种作业办法。当CONT引脚被置成低态时,在LE1信号的操控下,数据以同步办法被传送穿越屏障。在LE1高态时,数据从输入引脚传送到输入锁存。当LE1变低态时,数据字节开端传输穿越屏障。在此时刻,输入引脚可用于下一代数据字节。在此办法下,可传送的数据率可达2MBps。
      当CONT引脚被置成高态时,数据在器材内部20MHz时钟的操控下被跨过屏障发送。数据传输对外部锁存使能信号是异步的。数据以串行办法从输入锁存被选通到输出锁存。在一个字节传输完结后,整个字节移入输出锁存,输出锁存将对已传输的数据字节去偏移。关于完好的8位字节,传达推迟将小于1ms。


    3、模仿信号阻隔
      在许多体系中,模仿信号有必要阻隔。模仿信号所考虑的电路参量彻底不同于数字信号。模仿信号一般先要考虑:
•精度或线性度
•频率呼应
•噪声考虑
      电源要求,特别是对输入级,也应该重视阻隔扩展器的根本精度或线性度不能依托相应的运用电路来改进,但这些电路可下降噪声和下降输入级电源要求。
      Burr-Brown的ISO124使模仿阻隔简化。输入信号被占空度调制并以数字办法发送跨过屏障。输出部分接纳被调制的信号,把它变换回模仿电压并去掉调制/解调进程中固有的纹波成分。由于对输入信号的调制与解调,所以应遵从采样数据体系的一些约束。调制器作业在500kHz的基频上,所以高于250kHz Ngquist频率的输入信号在输出中呈现较低的频率重量。
      虽然输出级去掉了输出信号中载波频率的大多数,但依然有必定量的载波信号存在。图4示出了下降体系其余部分中高频噪声污染的组合滤波办法。电源滤波器能显著地下降从电源引脚窜入的噪声。输出滤波器是一个Q为I、3dB频率为50kHz的二极Sallen-key级。这使输出纹波下降5倍。
      对阻隔电压的另一问题是输入级所需的功率。输出级一般以机壳或地为基准,而输入一般起浮在另一个电位上。因而,输入级的电源也有必要阻隔。一般用一个单电源,而不是抱负中运用的+15V和-15V电源。
      图5示出在ISO124输入级的一个单电压电源结合运用1NA2132双差分扩展器,可将摆幅提升到输入信号电平的全规模。仅有的要求是输入端电源电压坚持大于9V,这是ISO124输入电压所需求的。
      INA2132的下半部发作一个VS+电源的一半的输出电压。此电压用作INA2132另一半的REF引脚和ISO124的GND输入是伪地。INA2132的差分输入信号的摆幅能够高于或低于新参阅电平。ISO124的输出与输入相同,将是彻底双极性的。


    4、阻隔用的多功用IC
      新的多功用数据收集IC使规划人员有时机在跨过阻隔屏时完结多个使命。一个完好的数据收集器材可包含多路模仿开关,可编程增益外表扩展器、A/D转化器和一个或多个数字I/O通道。一切这些功用都是经过一个串行数据口进行操控的。Burr-Brown公司的ADS7870便是这样的一种器材。ADS7870与ISO150一同作业得很好,并示于图6。
      在此运用中,ADS7870的每个可编程功用都置于主微处理器的操控之下,而该微处理器本身的操控是经过串行通讯口写指令到寄存器来完结的。操控特性包含:
•多路器的挑选
•4个差分通道或8个单端通道
•可编程外表扩展器的增益设置,1~20
•12位A/D转化的初始化
      此器材的4条数字I/O线也是有用的,可被个别地规定为陈述数字信号的状况或输出数字信号。这答应阻隔某些支撑功用,如经过同一ISO150扩展信号多路器的电平或过错标志读出。


    结语
    有许多器材可供规划人员选用,并运用在体系中地电位有很大不同的规划中。每一种器材都是针对共同体系要求而规划的。新器材功用集成的高水平使得跨过阻隔屏障能完结早年做不到的更杂乱的操作。



第四篇  高速数字体系的串音操控


内容:在高频电路中,串音或许是最难了解和猜测的,可是,它能够被操控乃至被消除去。
      跟着切换速度的加速,现代数字体系遇到了一系列难题,例如:信号反射、推迟式微、串音、和电磁兼容失效等等。当集成电路的切换时刻下降到5纳秒或4纳秒或更低时,印刷电路板本身的固有特性开端显现出来。不幸的是,这些特性是有害的,在规划进程中应该尽量设法避开。
      在高频电路中,串音或许是最难了解和猜测的,可是,它能够被操控乃至被消除去。


   1、 串音由何引起?
      当信号沿着印刷电路板的布线传达时,其电磁波也沿着布线传达,从集成电路芯片一端传到线的另一端。在传达进程中,由於电磁感应,电磁波引起了瞬变的电压和电流。
      电磁波包含随时刻改动的电场和磁场。在印刷电路板中,实践上,电磁场并不约束在各种布线内,有恰当一部分的电磁场能量存在於布线之外。所以,假如附近有其它线路,当信号沿一根导线传达时,其电场和磁场将会影响到其它线路。依据麦克斯韦尔方程,时变电及磁场会使附近导发作电压和电流,因而,信号传达进程中随同的电磁场将会使附近线路发作信号,这样,就导致了串音。
      在印刷电路板中,引起串音的线路一般称为“侵入者”。受串音搅扰的线路一般称为“受害者”。在任何“受害者”中的串音信号都可被分为前向串音信号和後向串音信号,这两种信号部分地由於电容耦合和电感耦合引起。串音信号的数学描绘是十分杂乱的,可是,如同湖面上的高速快艇,前向和後向串音信号的某些量化特徵仍是能被人们所了解。
      高速快艇对水发作两种影响。首要,快艇在船头激起浪花,弧形的涟漪如同跟着快艇一同行进;其次,当快艇行进一段时刻後,会在身後留下长长的水迹。
      这很相似於信号经过“侵入者”时,“受害者”的反响。“受害者”中有两种串音信号:位於侵入信号之前的前向信号,像船头的水和涟漪;落後於侵入信号的後向信号,像船开远後仍在湖中的水迹。


    2、前向串音的电容特性
      前向串音表现为两种彼此相关的特性:容性和理性。“侵入”信号行进时,在“受害者”中发作与之同相的电压信号,这个信号的速度与“侵入”信号相同,但又一直位於“侵入”信号之前。这意味着串音信号不会提早传达,而是和“侵入”信号同速并耦合入更多的能量。
      由於“侵入”信号的改动引起串音信号,所曾经向串音脉冲不是单极性的,而是具有正负两个极性。脉冲持续时刻等於“侵入”信号的切换时刻。
      导线间的耦合电容决议了前向串音脉冲的幅值,而耦合电容是由许多要素决议的,例如印刷电路板的资料,几许尺度,线路穿插方位等等。幅值平和行线路间的间隔成份额:间隔越长,串音脉冲就越大。可是,串音脉冲幅值有一个上限,由于“侵入”信号渐渐地失去了能量,而“受害者”又反过来耦合回“侵入者”。 前向串音的电感特性
      当“侵入”信号传达时,它的时变磁场相同会发作串音:具有电感特性的前向串音。可是理性串音和容性串音显着不同:前向理性串音的极性和前向容性串音的极性相反。这由于在行进方向,串音的容性部分和理性部分在竞赛,在彼此抵消。实践上,当时向容性和理性串音持平时,就不存在前向串音。
      在许多设备中,前向串音恰当小,而後向串音成了首要问题,特别对於长条形电路板,由于电容耦合增强了。可是,在没有仿真的前提下,实践无法知道理性和容性串音抵消到何种程度。
      假如你测到了前向串音,你就能够依据其极性判别你的走线是容性耦合仍是理性耦合。假如串音极性和“侵入”信号相同,容性耦合占首要方位,反之,理性耦合占首要方位。在印刷电路板中,一般是理性耦合更强些。
      後向串音发作的物理理和前向串音相同:“侵入”信号的时变电场和磁场引起“受害者”中的理性和容性信号。可是这两者之间也有所不同。
      最大的不同是後向串音信号的持续时刻。由于前向串音和“侵入”信号的传达方向及速度相同,所曾经向串音的持续时刻和“侵入”信号等长。可是,後向串音和“侵入”信号反方向传达,它滞後於“侵入”信号,并引起一长串脉冲。
      与前向串音不同,後向串音脉冲的幅值与线路长度无关,其脉冲持续期是“侵入”信号推迟时刻的两倍。为什麽呢?假定你从信号起点调查後向串音,当“侵入”信号远离起点时,它仍在发作後向脉冲,直到另一个推迟信号呈现。这样,後向串音脉冲的整个持续时刻便是“侵入”信号推迟时刻的两倍。


    3、後向串音的反射
      你或许不关怀驱动芯片和接纳芯片的串音搅扰。可是,你为什麽要关怀後向脉冲呢?由于驱动芯片一般是低阻输出,它反射的串音信号多於吸收的串音信号。当後向串音信号抵达“受害者”的驱动芯片时,它会反射到接纳芯片。由于驱动芯片的输出电阻一般低於导线本身,常常引起串音信号的反射。
      与前向串音信号具有理性和容性两种特性不同,後向串音信号只需一个极性,所以後向串音信号就不能自我抵消。後向串音信号及其反射之後的串音信号的极性和“侵入”信号相同,其幅值是两部分之和。
      牢记,当你在“受害者”的接纳端测到後向串音脉冲时,这个串音信号现现已过了“受害者”驱动芯片的反射。你能够调查到後向串音信号的极性和“侵入”信号相反。
      在数字规划时,你常常关怀一些量化目标,例如:不论串音是怎么发作,何时发作,前向仍是後向的,它的最大噪声容限为150mV。那麽,存在简略的能够准确衡量噪声的办法吗?简略的答复是“没有”,由于电磁场效应太杂乱了,涉及到一系列方程,电路板的拓扑结构,芯片的模仿特性等等。


   4、 串音消除
      从实践观念动身,最重要的问题是怎么去除串音。当串音会影响电路特性时,你该怎麽办?
      你能够采纳以下两种战略。一种办法是改动一个或多个影响耦合的几许参量,例如:线路长度、线路之间的间隔、电路板的分层方位。另一种办法是运用终端,将单线改成多路耦合线。合理的规划,多线终端能够撤销大部分串音。


   5、 线路长度
      许多规划者以为缩短线路长度是下降串音的要害。事实上,简直一切电路规划软件都供给了最大并行线路的长度操控功用。不幸的是,仅改动几许数值,是很难下降串音的。
      由于前向串音受耦合长度影响,所以当你缩短没有耦合联系的线路长度时,串音简直没有削减。再者,假如耦合长度超越驱动芯片下降或上升时延,耦合长度和前向串音的线性联系会抵达一个饱满值,这时,缩短现已很长的耦合线路对削减串音影响甚小。
      一个合理的办法是扩展耦合线路间的间隔。简直在一切状况下,别离耦合线路能够大大下降串音搅扰。实践证明,後向串音幅值大致和耦合线路间的间隔的平方成反比,即:假如你将这个间隔添加一倍,串音下降四分之叁。当後向串音占首要方位时,这个作用愈加显着。


    6、阻隔难度
      要增大耦合线路间的间隔并不是很简略的。假如你的布线十分密,你有必要花许多精力才干下降布线密度。假如你忧虑串音搅扰,你能够添加一或二个阻隔层。假如你有必要扩展线路或网络间的间隔,那麽你最好具有一个便於操作的软件。线路宽度和厚度相同影响串音搅扰,可是其影响远小於线路的间隔要素。所以,一般很少调整这两个参量。
      由于电路板的绝缘资料存在介电常数,也会发作线路间的耦合电容,所以下降介电常数也可削减串音搅扰。这个作用并不很显着,特别是微带电路  部分介电质现已是空气了。更重要的是,改动介电常数并不那麽简略,特别是在贵重的设备中。一个变通的办法是选用较贵的资料,而不是FR-4。
      介电质厚度,很大长度上影响了串音搅扰。一般的,使布线层挨近电源层(Vcc或地),能够下降串音搅扰。改进作用的准确数值需求经过仿真来确认。


    7、分层要素
      一些印刷电路板规划者依然不留意分层办法,这在高速电路规划中是个严重失误。分层不光影响传输线的功用,例如:阻抗、推迟和耦合,并且电路作业易於异常,乃至改动。例如,经过削减5mil的介电质厚度来下降串音搅扰,这是不行以的,虽然在本钱和工艺上都能做到。
      别的一个简略疏忽的要素是层的挑选。许多时分,前向串音是微带电路中的首要串音搅扰。可是,假如规划合理,布线层位於两个电源层之间,这样就很好地平衡了容性耦合和理性耦合,具有较低幅值的後向串音便成为首要要素。所以,仿真时你有必要留意,是哪种串音搅扰占首要方位。
      布线和芯片的方位联系对串音也有影响。由于後向串音抵达接纳芯片後反射到驱动芯片,所以驱动芯片的方位和功用是十分重要的。由于拓扑结构的杂乱性,反射及其它要素,所以很难解说串音首要受谁影响。假如有多种拓扑结构供挑选,最好经过仿真来确认哪种结构对串音影响最小。
      一个或许削减串音的非几许要素是驱动芯片本身的技能目标。一般准则是,挑选切换时刻长的驱动芯片,以削减串音搅扰(处理许多其它由於高速引起的问题也如此)。即便串音不严厉地和切换时刻成正比,下降切换时刻依然会发作严重影响。许多时分,你对驱动芯片技能无法挑选,你只能改动几许参量来到达意图。 经过终端下降串音
      众所周知,一根独立、无耦合传输线的终端衔接匹配阻抗,它就不会发作反射。现在考虑一系列耦合的传输线,例如,叁根相互有串音的传输线,或一对耦合传输线。假如运用电路剖析软件,能够导出一对矩阵,别离表明传输线本身和彼此间的电容和电感。例如,叁根传输线或许有下列的C和L矩阵:
      在这些矩阵中,对角线元素是传输线本身值,非对角线元素是传输线彼此间的值。(留意它们是用每单位长度的pF和nH来表明的)。能够用精巧的电磁场测验仪来确认这些值。
      能够看出,每一组传输线也有一个特徵阻抗矩阵。在这个Z0矩阵中,对角线元素表明传输线对地线的阻抗值,非对角线元素是传输线耦合值。
      对於一组传输线,与单根传输线相似,假如终端是与Z0匹配的阻抗阵,它的矩阵简直是相同的。所需的阻抗不必是Z0中的值,只需组成的阻抗网络与Z0匹配就行。阻抗阵中不只包含传输线对地的阻抗,并且包含传输线之间的阻抗。
    这样的一个阻抗阵具有杰出的性质。首要它能够阻挠非耦合线中串音的反射。更重要的是,它能够消除现已构成的串音。


    8、丧命兵器
      惋惜的是,这样一个终端是贵重的,并且是不或许抱负完结的,由于一些传输线之间的耦合阻抗太小了,会导致大电流流入驱动芯片。传输线和地之间的阻抗也不能太大致使於不能驱动芯片。假如存在这些问题,而你还计划运用这类终端,加几个沟通耦合电容试试看。
      虽然完结中存在一些困难,阻抗阵列终端仍是抵挡信号反射和串音的丧命兵器,特别对於恶劣状况。在其它环境下,它或许起作用,也或许不起作用,但仍不失为一种值得引荐的办法。

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