高速电路板设计指南之信号端接、串扰与滤波和去耦

文摘   2024-10-15 11:40   四川  


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高速设计带来的最大的挑战是要尽量减少串扰,保证信号在传输过程的良好完整性,同时也尽量减少电路板上噪声的影响。因为单端信号和低压差分信号(LVDS)是高速接口信号的典型类型,所以必须保证这两种信号的传输。
前面多篇文章,我们深入探讨了高速电路设计的各种设计实用指南——
从印制线与电流路径谈起,高速电路PCB布局布线的若干点经验

高速接口布线指南(来自大厂的实用建议)

来自大厂FAE的忠告:高速ADC的电路布局建议

今天的文章重点分享传输线终端端接、信号通道串扰最小化以及电路板电平滤波和去耦。
传输线终端端接 
不同的终端端接方式: 
  • 近端(源端)端接 

  • 远端端接 


近端(源端)端接 
通常,输出驱动器的阻抗小于传输线阻抗的单端线会采用这种方法。在这种情况下,把串联终端加到驱动器输出端以使与线路阻抗相匹配。
图1.单端线路的近端(源端)端接 
  • 把电阻放置在离源驱动比较接近的位置。  

  • 点对点连接时,使用源端端接。  

  • 不使用菊花链拓扑结构。  

  • 所有负载必须位于线路末端。 


远端端接 
并联或是AC端接是HSSI的远端端接最常用的方法。 
图2.单端线路的并联和AC端接 
  • 并联端接阻抗应与线路特性阻抗相匹配。 

  • 由于线路末端存在DC通路,并联端接会有功率消耗。选择并联端接时要进行相应热处理。 

  • AC端接可避免功率消耗,插入一个与端接电阻串联的电容。 

  • AC端接的电容值在100-200pF范围区间。

  • 由于存在容性负载,端接技术会增加负载上升和下降时间。选择不同的C值需要做时序的考虑。 

  • 把元件放置在接收器引脚附近,这样不再需要短截线。 


差分线路端接 
应特别注意差分线路端接。 
差分线路需要线路间具有大于50欧的线路阻抗和100欧差分阻抗。所以,端接必须与100欧阻抗相匹配。 
图3.差分线路端接 
  • 走线连接到接收器引脚后放置端接,这样不需要接收器前的短截线。这样可以避免由于阻抗不连续性导致的反射。 

  • 放置端接时,不要改变层或使用过孔。

 
信号通道间串扰最小化 
如果长距离地平行布线,会出现电子信号耦合。 
在PCB设计时认真处理,可以避免此类耦合问题: 
  • 分离单端和差分信号的布线层。 

  • 如果相邻的两个层有高速线路,把所有走线布置为垂直 

  • 不要在接近至参考层电气高度的4倍的地方布信号线。 

  • 尽可能缩短与参考层距离 

  • 与参考层距离较短的传输线与相邻线路的耦合较小。 

  • 避免较长距离高速信号的平行布线。 

  • 对差分信号,沿走线的长度保持距离不变。 

  • 如果要求蛇形布线(与差分线长度相匹配),并行走线的分隔距离是介质高度的4倍。 

  • 在发射器一侧而不是接收器一侧采用蛇形布线来长度匹配。 

  • 相邻层上的关键信号彼此正交发送。


图4.走线分隔和蛇形布线规则 
电路板电平滤波和去耦 
微控器IC的电源分配网络的去耦是PCB设计过程中的关键环节,因为去耦电容的选择和放置对电路板的高速性能有很大的影响,而且可以减少放射。板载去耦电容的有效范围是1MHz – 200MHz。采用电源层电容覆盖高于200MHz的电容。 
去耦电容是否有效取决于电容是否放置在最佳位置与连接方式。 
  • 把电容放置在尽可能靠近µC的位置。 

  • MCU和电容的互连电感尽可能低。 

  • 使用低阻抗和感抗(ESR和ESL)的电容。 

    • -由于寄生电感会限制电容对器件电流在高频需求下的响应,应选择电容的ESL和连接电感以达到最佳的设计目的。 

  • 通过靠近焊盘的过孔连接电容。 

    • -把过孔放置在另一侧来减少电流回路。 

图5.去耦电容连接
  • 用双过孔降低寄生电感。 

  • 放置电容时,优化焊接区,走线和过孔。 

  • 不要使用长走线来连接电容至GND或至VDD。 

    • 始终保持较小的高频电流返回路径(最小感抗路径) 

  • 给电容选择最小可用封装类型。 

    • 选择电容类型:陶瓷多层X7R或X5R。 

  • 为了减少振荡器电路辐射/耦合,在GND层面上设置一个地岛。地岛的一点连接到GND层面。 

    • 振荡器电路生成的噪声仅存在于这个分离的地岛上。 

    • 负载电容的VSSOSC的接地连接应连接在地岛上。 

    • 负载电容和Xtal走线应尽量短。 

图6.振荡器电路布局方案(BGA封装) 
  • 为了最大程度上减少PCB的EMI辐射,需要重点考虑下面关键的信号: 

    • LVDS引脚(HSCT, MSC, QSPI, AGBT) 

    • ERAY引脚 

    • Ethernet引脚 

    • QSPI引脚 

    • MSC引脚 

    • 外部时钟引脚 

    • 电源引脚 


注释: 

  1. 根据相邻接地参考发送这些信号,并且避免信号和参考层的变化。 

  2. 使信号发送距离尽可能的短。 

  3. 每边上的路由地可以帮助降低对其它信号的耦合。


  • 接地系统分为模拟地和数字地。模拟地必须分为两组: 

    • OSC/PLL电源引脚地作为通用星形点。 

    • ADC的地(VDDM的VSSM)作为通用星形点。 

  • 从稳压器到每个电源层的功率分配须用滤波器。 

  • 在稳压器输出和其它模块的电源引脚支路上,像VDD和VDDP3(对振荡器),VDDFL3和VDDM引脚,要把RC滤波器插入在电源路径内。 

    • 使用电感或是铁氧体磁珠(5–10 µH)来替代电阻可以改善电路的EME状况,并降低相关电源网络高达~10dBµV的辐射。 

  • 必须禁用OCDS。 

  • 给全部I/O选择可能的最弱驱动力和斜率(见应用笔记AP32111的可扩展焊盘)。 

  • SYSSCLK使用可能最低频率。 

  • 避免通过过孔组分割GND平面。必须设计一个固定的GND层。 



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