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高速PCB中偏移源的分析與解決方法

PCB線路板打樣 ? 2019-07-23 17:09 ? 次閱讀
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當我第一次學習數(shù)字電子學時,電子學中的眼圖是一個謎。這個簡單的圖表如何告訴您如何關(guān)注一個設備的性能?直到我開始設計自己的系統(tǒng),直到我開始意識到眼圖的重要性。

高速數(shù)字設備中的信號同步依賴于來自數(shù)字IC的精確切換測量。有許多因素會影響信號切換時間,而錯誤的估算會增加設備的誤碼率。在沒有冗余的設備中,較高的誤碼率可能會使PCB停止運行。

信號上升/下降時間和偏斜

數(shù)字IC有一些輸出電容和特性阻抗,在開關(guān)狀態(tài)之間切換時產(chǎn)生延遲。信號的上升和下降時間通常近似為線性,但實際的上升和下降時間是指數(shù)的,類似于在簡單的RC串聯(lián)電路中測量的值。

這種線性近似適用于較低的開關(guān)速度,其中開關(guān)周期比與上升/下降時間相關(guān)的等效時間常數(shù)長得多。線性近似傾向于低估切換時間。另一個近似值是將開關(guān)速度設置為在導通狀態(tài)的低端和關(guān)閉狀態(tài)的高端之間轉(zhuǎn)換所需的時間。

不幸的是,這兩種近似都可能低估了適當?shù)纳仙?數(shù)字信號的下降時間。這在選擇合適的開關(guān)速度和同步信號網(wǎng)時會產(chǎn)生問題。

信號切換的效果和它產(chǎn)生的偏斜是雙重的。首先,它導致通過連續(xù)IC傳輸?shù)男盘柕牡竭_時間誤差。不同的IC可以產(chǎn)生略微不同的輸出脈沖形狀,并且輸出脈沖可以根據(jù)精確的數(shù)字脈沖流而改變。這會在信號之間產(chǎn)生不同的參考時間,這會在設計器同步高速電路時產(chǎn)生問題。

其次,切換期間的指數(shù)上升和下降時間會導致輸出電壓落在噪聲中保證金或未定義的區(qū)域。如果嘗試以與有效RC時間常數(shù)類似的數(shù)據(jù)速率驅(qū)動PCB,則會增加誤碼率。

SMD集成電路

在數(shù)據(jù)速率高于~100 Mbps時,應通過在PCB中使用轉(zhuǎn)發(fā)或嵌入式時鐘來降低偏差。在大多數(shù)高速設計中,信號以差分對路由,以減少串擾。這需要在差分信號網(wǎng)中的跡線對的正腿和負腿之間進行精確的偏斜補償。在信號衰減成為主要問題之前,Gbps數(shù)據(jù)速率或更高的數(shù)據(jù)速率可能只允許幾皮秒的偏斜。

電路板基板和寄生電容的影響

通過考慮浮在真空中的導電跡線,簡單模擬可以考慮數(shù)字信號的偏差。更好的模擬將考慮襯底的存在,這會在相鄰導體之間產(chǎn)生寄生電容。該寄生電容可以被視為并聯(lián)電容器,這增加了給定跡線的總電容。這會增加有效RC時間常數(shù)并加劇偏斜。

隨著互連密度的增加,寄生電容僅會進一步增加。這些電路在跡線之間具有更緊密的間隔,導致更高的寄生電容。需要適當調(diào)整走線寬度,以確保在設計過程中跡線可以適當?shù)刈杩蛊ヅ洹?/p>

在多層PCB中,PCB基板中的環(huán)氧樹脂和玻璃編織也會對歪斜產(chǎn)生影響。由于PCB制造限制,編織圖案幾乎不會與每條跡線對齊。相反,編織和軌跡將在它們之間以一定角度排列,并且該角度將通過產(chǎn)生相位延遲來影響偏斜。編織圖案和跡線之間的橫向偏移也會影響偏斜。

在時域中,這會影響給定跡線中信號的傳播延遲。在這些情況下的偏斜通常以ps/英寸為單位量化。較長的跡線將累積較大的偏斜,并且對于中等長度的跡線,該偏斜可以達到幾皮秒。這極大地增加了以Gbps運行的設備中信號劣化的可能性。高速層壓板通常用于補償多層PCB中的這些信號劣化問題。

不匹配的跡線在PCB上

由于長度或傳播延遲不匹配導致的時序偏移通常由曲折跡線補償。具有不匹配的跡線長度的信號網(wǎng)可以使所有跡線長度與網(wǎng)絡中的最長跡線匹配。曲線需要添加到較短的跡線中以增加其長度。

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