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在高速PCB电路设计过程中,经常会遇到信号完整性问题,导致信号传输质量不佳甚至出错。那么如何区分高速信号和普通信号呢?

很多人觉得信号频率高的就是高速信号,实则不然。我们知道任何信号都可以由正弦信号的N次谐波来表示,而信号的最高频率或者信号带宽才是衡量信号是否是高速信号的标准。

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隔离一块PCB板上的元器件有各种各样的边值(edge rates)和各种噪声差异。对改善SI最直接的方式就是依据器件的边值和灵敏度,通过PCB板上元器件的物理隔离来实现。

图1是一个实例。在例子中,供电电源、数字I/O端口和高速逻辑这些对时钟和数据转换电路的高危险电路将被特别考虑。

PCB高速设计信号完整性5个经验

第一个布局中放置时钟和数据转换器在相邻于噪声器件的附近,噪声将会耦合到敏感电路及降低他们的性能。第二个布局做了有效的电路隔离将有利于系统设计的信号完整性。

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阻抗、反射及终端匹配阻抗控制和终端匹配是高速电路设计中的基本问题。通常每个电路设计中射频电路均被认为是最重要的部分,然而一些比射频更高频率的数字电路设计反而忽视了阻抗和终端匹配。

由于阻抗失配产生的几种对数字电路致命的影响,参见下图:

PCB高速设计信号完整性5个经验
图2 门电路电流环路

a. 数字信号将会在接收设备输入端和发射设备的输出端间造成反射。反射信号被弹回并且沿着线的两端传播直到最后被完全吸收。

b. 反射信号造成信号在通过传输线的响铃效应,响铃将影响电压和信号时延和信号的完全恶化。

c. 失配信号路径可能导致信号对环境的辐射。

由阻抗不匹配引起的问题可以通过终端电阻降到最小。终端电阻通常是在靠近接收端的信号线上放置一到两个分立器件,简单的做法就是串接小的电阻。

终端电阻限制了信号上升时间及吸收了部分反射的能量。值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破坏性因素。然而认真的选用合适的器件,终端阻抗可以很有效的控制信号的完整性。

并不是所有的信号线都需要阻抗控制,在一些诸如紧凑型 PCI 规格要求中的特征阻抗和终端阻抗特性。对于别的没有阻抗控制规范要求的其他标准以及设计者并没有特意关注的。

最终的标准可能发生变化从一个应用到另一个应用中。因此需要考虑信号线的长度(相关与延迟 Td)以及信号上升时间(Tr)。通用的对阻抗控制规则是 Td(延迟)应大于 Tr 的 1/6。

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内电层及内电层分割在电流环路设计中会被数字电路设计者忽视的因素,包括对单端信号在两个门电路间传送的考虑(图2)。从门 A 流向门 B 的电流环路,然后再从地平面返回到门 A。

门电路电流环路中存在两个潜在的问题:

a、 A 和 B 两点间地平面需要被连接通过一个低阻抗的通路如果地平面间连接了较大的阻抗,在地平面引脚间将会出现电压倒灌。这就必将会导致所有器件的信号幅值的失真并且叠加输入噪声;

b、 电流回流环的面积应尽可能的小,环路好比天线。通常说话,一种更大环路面积将会增大了环路辐射和传导的机会。每一个电路设计者都希望回流电流都可直接沿着信号线,这样就最小的环路面积;

用大面积接地可以同时解决以上两个问题。大面积接地可以提供所有接地点间小的阻抗,同时允许返回电流尽量直接沿着信号线返回。

在 PCB 设计中一个常见的错误是在层间打过孔和开槽。图3显示了当一条信号线在一个开过槽的不同层上的电流流向。回路电流将被迫绕过开槽,这就必然会产生一个大的环流回路。

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图3 PCB层间回路电流流向

通常而言,在地电源平面上是不可以开槽的。然而,在一些不可避免要开槽的场合,PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。

同样的规则也适用于混合信号电路 PCB 板中除非用到多个地层。特别是在高性能ADC电路中可以利用分离模拟信号、数字信号及时钟电路的地层有效的减少信号间的干扰。

需要再次强调的,在一些不可避免要开槽的场合,PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。在带有一个镜像差异的电源层中也应注意层间区域的面积(图4)。

在板卡的边缘存在电源平面层对地平面层的辐射效应。从边沿泄漏的电磁能量将破坏临近的板卡。见下图4a。适当的减少电源平面层的面积(图4 b),以至于地平面层在一定的区域内交叠。这将减少电磁泄漏对邻近板卡的影响。

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图4 地电层的辐射效应

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串扰在PCB设计中,串扰问题是另一个值得关注的问题。下图中显示出在一个PCB中相邻的三对并排信号线间的串扰区域及关联的电磁区。当信号线间的间隔太小时,信号线间的电磁区将相互影响,从而导致信号的变化就是串扰。

串扰可以通过增加信号线间距解决。然而,PCB 设计者通常受制于日益紧缩的布线空间和狭窄的信号线间距;由于在设计中没有更多的选择,从而不可避免的在设计中引入一些串扰问题。显然,PCB 设计者需要一定的管理串扰问题的能力。

通常业界认可的规则是 3W 规则,即相邻信号线间距至少应为信号线宽度的 3 倍。但是,实际工程应用中可接受的信号线间距依赖于实际的应用、工作环境及设计冗余等因素。

信号线间距从一种情况转变成另一种以及每次的计算。因此,当串扰问题不可避免时,就应该对串扰定量化。这都可以通过计算机仿真技术表示。利用仿真器, 设计者可以决定信号完整性效果和评估系统的串扰影响效果。

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电源去耦电源去耦是数字电路设计中惯例,退耦有助于减少电源线上噪声问题。迭加在电源上的高频噪声将会对相邻的数字设备都会带来问题。典型的噪声于地弹、信号辐射或者数字器件自身。

最简单的解决电源噪声方式是利用电容对地上的高频噪声去耦。理想的退耦电容为高频噪声提供了一条对地的低阻通路,从而清除了电源噪声。

依据实际应用选择去耦电容,大多数的设计者会选择表贴电容在尽可能靠近电源引脚,而容值应大到足够为可预见的电源噪声提供一条低阻对地通路。

采用退耦电容通常会遇到的问题是不能将退耦电容简单的当成电容。有以下几种情况:

a、 电容的封装会导致寄生电感;
b、 电容会带来一些等效电阻;
c、 在电源引脚和退耦电容间的导线会带来一些等效电感;
d、 在地引脚和地平面间的导线会带来一些等效电感。

由此而引发的效应:

a、 电容将会对特定的频率引发共振效应和由其产生的网络阻抗对相邻频段的信号造成更大的影响;

b、 等效电阻(ESR)还将影响对高速噪声退耦所形成的低阻通路。

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图5 现实中的去耦

以下总结了由此对一个数字设计者产生的效应:

a、 从器件上 Vcc 和 GND 引脚引出的引线需要被当作小的电感。因此建议在设计中尽可能使 Vcc 和 GND 的引线短而粗;

b、 选择低 ESR 效应的电容,这有助于提高对电源的退耦;

c、 选择小封装电容器件将会减少封装电感。改换更小封装的器件将导致温度特性的变化。

因此在选择一个小封装电容后,需要调整设计中器件的布局。在设计中,用 Y5V 型号的电容替换 X7R 型号的电容器件,可保证更小的封装和更低的等效电感,但同时也会为保证高的温度特性花费更多的器件成本。

在设计中还应考虑用大容量电容对低频噪声的退耦。采用分离的电解电容和钽电容可以很好的提高器件的性价比。

本文转自EDA365电子论坛,整理自网络,侵删!

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丝印位号的调整

针对后期元件装配,特别是手工装配元件,一般都得出PCB的装配图,用于元件放料定位之用,这时丝印位号就显示出其必要性了。

生产时PCB上丝印位号可以进行显示或者隐藏,但是不影响装配图的输出。按快捷键“L”,按所有图层关闭按钮,即关闭所有层,再单独勾选只打开丝印层及相对应的阻焊层,即可对丝印进行调整了。

丝印位号调整的原则及常规推荐尺寸

以下是丝印位号调整遵循的原则及常规推荐尺寸。

(1)丝印位号不上阻焊,放置丝印生产之后缺失。

(2)丝印位号清晰,字号推荐字宽/字高尺寸为4/25mil、5/30mil、6/45mil。

(3)保持方向统一性,一般一块PCB上不要超过两个方向摆放,推荐字母在左或在下,如图11-21所示。

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图11-21 丝印位号显示方向

(4)对于一些摆布下的丝印标识,可以用放置2D辅助线或者放置方块进行标记,方便读取,如图11-22所示。

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图11-22 辅助线及方块

丝印位号的调整方法

Altium Designer提供一个快速调整丝印的方法,即“元器件文本位置”功能,可以快速地把元件的丝印放置在元件的四周或者元件的中心。

(1)选中需要操作的元件。

(2)按快捷键“AP”,进入“元器件文本位置”对话框,如图11-23所示,该对话框中提供“标识符”和“注释”两种摆放方式,这里以“标识符”为例进行说明。

(3)“标识符”提供向上、向下、向右、向左、左上、左下、右上、右下几种方向,可以与小键盘上的数字键进行对应。通过对“元器件文本位置”命令设置快捷键的方法,想让其快速地把选中元件的丝印位号放置到元件的上方时,在小键盘上按数字键“5”和“2”就可以完成此操作,如图11-24所示。其他方向摆放类似,例如,按数字键“5”和“6”放置到元件的右方,按数字键“5”和“8”放置到元件的下方。

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图11-23 “元器件文本位置”对话框

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图11-24 丝印位号快速放置到元件的上方

本文转自:凡亿PCB,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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PCB干膜使用时破孔/渗镀问题改善办法

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随着电子产业的高速发展,PCB布线越来越精密,多数PCB厂家都采用干膜来完成图形转移,干膜的使用也越来越普及,但我在售后服务的过程中,仍遇到很多客户在使用干膜时产生很多误区,现总结出来,以便借鉴。

我们预想中的完整PCB通常都是规整的矩形形状。虽然大多数设计确实是矩形的,但是很多设计都需要不规则形状的电路板,而这类形状往往不太容易设计。本文介绍了如何设计不规则形状的PCB。

如今,PCB的尺寸在不断缩小,而电路板中的功能也越来越多,再加上时钟速度的提高,设计也就变得愈加复杂了。那么,让我们来看看该如何处理形状更为复杂的电路板。

如图1所示,简单PCI电路板外形可以很容易地在大多数EDA Layout工具中进行创建。

图1:常见PCI电路板的外形

然而,当电路板外形需要适应具有高度限制的复杂外壳时,对于PCB设计人员来说就没那么容易了,因为这些工具中的功能与机械CAD系统的功能并不一样。图2中所示的复杂电路板主要用于防爆外壳,因此受到诸多机械限制。想要在EDA工具中重建此信息可能需要很长时间而且并不具有成效。因为,机械工程师很有可能已经创建了PCB设计人员所需的外壳、电路板外形、安装孔位置和高度限制。

图2:在本示例中,必须根据特定的机械规范设计PCB,以便其能放入防爆容器中

由于电路板中存在弧度和半径,因此即使电路板外形并不复杂(如图3中所示),重建时间也可能比预期时间要长。

图3:设计多个弧度和不同的半径曲线可能需要很长时间

这些仅仅是复杂电路板外形的几个例子。然而,从当今的消费类电子产品中,您会惊奇地发现有很多工程都试图在一个小型封装中加入所有的功能,而这个封装并不总是矩形的。您最先想到的应该是智能手机和平板电脑,但其实还有很多类似的例子。

如果您返还租来的汽车,那么可能可以看到服务员用手持扫描仪读取汽车信息,然后与办公室进行无线通信。该设备还连接了用于即时收据打印的热敏打印机。事实上,所有这些设备都采用刚性/柔性电路板(图4),其中传统的PCB电路板与柔性印刷电路互连,以便能够折叠成小空间。

图4:刚性/柔性电路板允许最大限度地利用可用空间

那么,问题是“如何将已定义的机械工程规范导入到PCB设计工具中呢?”在机械图纸中复用这些数据可以消除重复工作,更重要的是还可以消除人为错误。

我们可以使用DXF、IDF或ProSTEP格式将所有信息导入到PCB Layout软件中,从而解决此问题。这样做既可以节省大量时间,还可以消除可能出现的人为错误。接下来,我们将逐一了解这些格式。

图形交换格式—DXF

DXF是一种沿用时间最久、使用最为广泛的格式,主要通过电子方式在机械和PCB设计域之间交换数据。AutoCAD在20世纪80年代初将其开发出来。这种格式主要用于二维数据交换。大多数PCB工具供应商都支持此格式,而它确实也简化了数据交换。DXF导入/导出需要额外的功能来控制将在交换过程中使用的层、不同实体和单元。图5就是使用Mentor Graphics的PADS工具以DXF格式导入非常复杂的电路板外形的一个示例:

图5:PCB设计工具(如这里介绍的PADS)需要能够使用DXF格式控制所需的各种参数

几年前,三维功能开始出现在PCB工具中,于是需要一种能在机械和PCB工具之间传送三维数据的格式。由此,Mentor Graphics开发出了IDF格式,随后该格式被广泛用于在PCB和机械工具之间传输电路板和元器件信息。

虽然DXF格式包含电路板尺寸和厚度,但是IDF格式使用元件的X和Y位置、元件位号以及元件的Z轴高度。这种格式大大改善了在三维视图中可视化PCB的功能。IDF文件中可能还会纳入有关禁布区的其他信息,例如电路板顶部和底部的高度限制。

系统需要能够以与DXF参数设置类似的方式,来控制IDF文件中将包含的内容,如图6中所示。如果某些元器件没有高度信息IDF导出能够在创建过程中添加缺少的信息。

图6:可以在PCB设计工具(此示例为PADS)中设置参数

IDF界面的另一个优点是,任何一方都可以将元器件移动到新位置或更改电路板外形,然后创建一个不同的IDF文件。这种方法的缺点是,需要重新导入表示电路板和元器件更改的整个文件,并且在某些情况下,由于文件大小可能需要很长时间。此外,很难通过新的IDF文件确定进行了哪些更改,特别是在较大的电路板上。IDF的用户最终可创建自定义脚本来确定这些更改。

STEP和ProSTEP

为了更好地传送三维数据,设计人员都在寻找一种改良方式,STEP格式应运而生。STEP格式可以传送电路板尺寸和元器件布局,但更重要的是,元器件不再是具有一个仅具有高度值的简单形状。STEP元器件模型以三维形式对元件进行了详细而复杂的表示。电路板和元器件信息都可以在PCB和机械之间进行传递。然而,仍然没有可以进行跟踪更改的机制。

为了改进STEP文件交换,我们引入了ProSTEP格式。这种格式可移动与IDF和STEP相同的数据,并且具有很大的改进–它可以跟踪更改,也可以提供在学科原始系统中工作及在建立基准后审查任何更改的功能。除了查看更改之外,PCB和机械工程师还可以批准布局、电路板外形修改中的所有或单个元器件更改。他们还可以提出不同的电路板尺寸或元器件位置建议。这种经改进的沟通在ECAD与机械组之间建立了一个以前从未存在的ECO(工程变更单)(图7)。

图7:建议更改、在原始工具上查看更改、批准更改或提出不同建议

现在,大多数ECAD和机械CAD系统都支持使用ProSTEP格式来改进沟通,从而节省大量时间并减少复杂的机电设计可能带来的代价高昂的错误。更重要的是,工程师可以创建一个具有额外限制的复杂电路板外形,然后通过电子方式传递此信息,以避免有人错误地重新诠释电路板尺寸,从而达到节省时间的目的。

总结

如果您还没有使用过这些DXF、IDF、STEP 或 ProSTEP数据格式交换信息,则您应检查他们的使用情况。可以考虑使用这种电子数据交换,停止浪费时间来重新创建复杂的电路板外形。

来源:PCB电子电路技术

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PCB抄板过程中反推原理图的方法

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在PCB反向技术研究中,反推原理图是指依据PCB文件图反推出或者直接根据产品实物描绘出PCB电路图,旨在说明线路板原理及工作情况。并且,这个电路图也被用来分析产品本身的功能特征。而在正向设计中,一般产品的研发要先进行原理图设计,再根据原理图进行PCB设计。

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