时钟电路、布线和端接课件.ppt
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- 时钟 电路 布线 端接 课件
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1、EMC theory and application第第9章章 时钟电路、布线和端接时钟电路、布线和端接有两种基本的拓扑类型。有两种基本的拓扑类型。PCB内形成的传输线内形成的传输线EMC theory and applicationp不同的逻辑族器件具有不同的源特性阻抗,如果在不同的逻辑族器件具有不同的源特性阻抗,如果在PCB板中布置了传输线,那么就必须匹配此电路逻辑板中布置了传输线,那么就必须匹配此电路逻辑族器件的源和负载阻抗族器件的源和负载阻抗p在布线前必须确定最佳的布线宽度和布线到最近的在布线前必须确定最佳的布线宽度和布线到最近的参考平面的距离参考平面的距离p通常计算传输线阻抗的近似公
2、式由于制造过程中制通常计算传输线阻抗的近似公式由于制造过程中制造公差的影响而变得不十分精确造公差的影响而变得不十分精确成形后线条成形后线条的顶部宽度的顶部宽度带宽带宽芯层材料芯层材料铜厚铜厚图图 蚀刻成形后的线条的宽度尺度蚀刻成形后的线条的宽度尺度EMC theory and applicationp影响传输线阻抗计算精度的因素影响传输线阻抗计算精度的因素l一阶因素:线宽、线条距离参考平面的高度(介质厚一阶因素:线宽、线条距离参考平面的高度(介质厚度)、介电常数度)、介电常数l二阶因素:二阶因素: 回路长度:回路长度:传输线越长,电感值就越大传输线越长,电感值就越大 印制线厚度:印制线厚度:当
3、使用当使用1/2到到1oz铜线时,印制线厚度变化对线条铜线时,印制线厚度变化对线条阻抗的影响约为阻抗的影响约为2/mil 侧壁形状侧壁形状:侧壁尺寸的变化导致线条阻抗的变化小于侧壁尺寸的变化导致线条阻抗的变化小于1% 阻焊层覆盖范围:阻焊层覆盖范围:使用标准厚度的阻焊层,可以看到线条阻抗使用标准厚度的阻焊层,可以看到线条阻抗变化的灵敏度为变化的灵敏度为3/mil,当确定了阻焊层后就可以通过这一数,当确定了阻焊层后就可以通过这一数值来修正微带线的线条阻抗值值来修正微带线的线条阻抗值 同一个部件中混合使用的不同介质同一个部件中混合使用的不同介质:如果要确定混合使用不同如果要确定混合使用不同介质板对
4、整个阻抗的影响,就需要用场的计算方法介质板对整个阻抗的影响,就需要用场的计算方法EMC theory and application拓扑结构拓扑结构p微带线拓扑微带线拓扑TWHZr8.098.5ln41.1870对于对于15W25mil有效有效TWHZr8.098.5ln41.1790对于对于5W15mil有效有效TWHCr8 .098.5ln41.167.00WHT介质材料介质材料EMC theory and application注意:注意:l当当W和和H的比值小于等于的比值小于等于0.6时,式(时,式(1)的典型精度为)的典型精度为5%5%;当当W W和和H H的比值在的比值在0.60.
5、62.02.0之间时,精度下降到之间时,精度下降到20%20%l在测试和计算线条阻抗时,印制线的宽度应在印制线厚度方在测试和计算线条阻抗时,印制线的宽度应在印制线厚度方向的中间位置测量向的中间位置测量l对于不同的制造过程,刻蚀后最终的线条宽度会与图中标定对于不同的制造过程,刻蚀后最终的线条宽度会与图中标定的不同,印制线上部的一些铜会被刻蚀掉,这就使得上部的宽的不同,印制线上部的一些铜会被刻蚀掉,这就使得上部的宽度小于希望得到的值,将线条顶部和底部的宽度取平均,能得度小于希望得到的值,将线条顶部和底部的宽度取平均,能得到更典型的精确的阻抗数值到更典型的精确的阻抗数值l印制线厚度导致阻抗幅值的改变
6、很小,因此在印制线厚度导致阻抗幅值的改变很小,因此在1GHz1GHz以下的实以下的实际设计中完全可以忽略印制线厚度的因素际设计中完全可以忽略印制线厚度的因素l信号沿微带线传输存在延时,该延时仅仅与介质材料的有效信号沿微带线传输存在延时,该延时仅仅与介质材料的有效介电常数相关介电常数相关EMC theory and applicationp埋入式微带线拓扑埋入式微带线拓扑WHT介质材料介质材料2介质材料介质材料1Bl埋入式微带线与非埋入式微带线具有相同的导体几何结构,埋入式微带线与非埋入式微带线具有相同的导体几何结构,有效相对介电常数会增大有效相对介电常数会增大l一般埋入式微带线的等式与微带线公
7、式相比除了修正介电一般埋入式微带线的等式与微带线公式相比除了修正介电常数外,其余都相同常数外,其余都相同EMC theory and application0875.98ln0.81.41rHZWT01.55()1.415.98ln0.81,0.1/3.0,115rBHrrrCHWTeWHEMC theory and applicationp单带状线拓扑单带状线拓扑WHT介质材料介质材料BHTWBZr8 . 09 . 1ln600TWHCr8.081.3ln41.10l上式可以用来对最佳高度、宽度和印制线厚度值进行变量上式可以用来对最佳高度、宽度和印制线厚度值进行变量值选择,对于实际的电路板结
8、构,阻抗计算值会因为制造公值选择,对于实际的电路板结构,阻抗计算值会因为制造公差的原因与实际值有差的原因与实际值有5%5%左右的差异左右的差异lW/(H-T)0.35W/(H-T)0.35,T/H0.25T/H0.25EMC theory and applicationp双带状线或非对称带状线拓扑双带状线或非对称带状线拓扑WT介质材料介质材料BHD这种拓扑结构会增强布线层和参考平面间的耦合这种拓扑结构会增强布线层和参考平面间的耦合TDHHTWBZr418 . 09 . 1ln800TWTHCr335.0268.02ln82.20EMC theory and applicationp差分微带线和
9、带状线拓扑差分微带线和带状线拓扑介质材料介质材料HWDT微带线的设置微带线的设置介质材料介质材料WDBHHT带状线的设置带状线的设置EMC theory and application差模阻抗差模阻抗Zdiff的计算的计算:通常只有线条宽度:通常只有线条宽度W是可以变是可以变化的,以便确定最佳的化的,以便确定最佳的Zdiff值,两条印制线间的距离值,两条印制线间的距离D却不应调整,这是因为却不应调整,这是因为D的取值应为制造过程中所的取值应为制造过程中所能达到的最小线间距。能达到的最小线间距。HDdiffeZZ96. 0048. 012BDdiffeZZ9 . 20347. 012TWHZr8
10、 . 098. 5ln41. 1870TWBZr8 . 09 . 1ln600微带线微带线带状线带状线EMC theory and application要采用差分对布线,主要有以下五个原因:要采用差分对布线,主要有以下五个原因:l为匹配外部平衡的差分传输线,此时与线间耦合无关为匹配外部平衡的差分传输线,此时与线间耦合无关l为避免地电位反弹为避免地电位反弹l为减小为减小EMI,因为磁通在紧邻的两条线上沿相反的方向传,因为磁通在紧邻的两条线上沿相反的方向传输,所以印制线上的磁通是相互抵消的,结果就减小了辐输,所以印制线上的磁通是相互抵消的,结果就减小了辐射射l为减小本地串扰为减小本地串扰l改善改
11、善PCB布线的效率,如果采用紧密的差分布线,需注布线的效率,如果采用紧密的差分布线,需注意两点:意两点: 必须计算出新的印制线宽度来补偿由于信号线相互接必须计算出新的印制线宽度来补偿由于信号线相互接近而导致的差模阻抗的下降近而导致的差模阻抗的下降 一旦信号线是差分对时,就不应将它们分离一旦信号线是差分对时,就不应将它们分离EMC theory and application除受到空间强烈制约的情况,首选的布线方法还是并除受到空间强烈制约的情况,首选的布线方法还是并排模式(同层耦合)排模式(同层耦合)并排布线结构并排布线结构同层耦合同层耦合上下布线的带状线结构上下布线的带状线结构层间耦合层间耦合
12、上下布线的微带线结构上下布线的微带线结构层间耦合层间耦合注意:对于注意:对于“上下布线模式、微带线结构上下布线模式、微带线结构”上面的印制线宽上面的印制线宽度必须是下面印制线宽度的三倍,这主要有两个原因:度必须是下面印制线宽度的三倍,这主要有两个原因:l实现两条线间磁通相互抵消的最佳情况;实现两条线间磁通相互抵消的最佳情况;l并且对于离参考平面距离不同的两条印制线,这种结构使并且对于离参考平面距离不同的两条印制线,这种结构使得两者阻抗相同得两者阻抗相同EMC theory and applicationl电磁波的传播速度取决于周围介质的电特性,电磁波的传播速度取决于周围介质的电特性,在介质材料
13、中传播速度会比空气或真空中低,在介质材料中传播速度会比空气或真空中低,传播速度和有效介电常数的关系为:传播速度和有效介电常数的关系为:rpCVl传输延时同样也是每单位长度线路的电容量的函数,而电容传输延时同样也是每单位长度线路的电容量的函数,而电容量又是介电常数、线宽和线条到参考平面间介质厚度的函数量又是介电常数、线宽和线条到参考平面间介质厚度的函数拓扑传播速度微带线1.68ns/ft(140ps/in)埋入式微带线、单带状线、双带状线2.11ns/ft(176ps/in)表表 不同拓扑结构的传播速度不同拓扑结构的传播速度因为传输线完全被包围在介质中,所以埋入式微带线、单带状线和双带状因为传输
14、线完全被包围在介质中,所以埋入式微带线、单带状线和双带状线都具有相同的传输延时,微带线形成的传输线的一半在介质中,而另一线都具有相同的传输延时,微带线形成的传输线的一半在介质中,而另一半在空气中,因此,电磁场在微带传输线中传输速度较快半在空气中,因此,电磁场在微带传输线中传输速度较快传输延时和介电常数传输延时和介电常数EMC theory and applicationl当电路中使用数字元件时,元件的每个输入管脚都有特定当电路中使用数字元件时,元件的每个输入管脚都有特定的输入电容值,实际上,多个元件的这种电容的总和就变得的输入电容值,实际上,多个元件的这种电容的总和就变得比较大,通常这种情况就
15、当作容性负载。比较大,通常这种情况就当作容性负载。l当额外的器件连接在布线网络上时,输出容性负载同样也当额外的器件连接在布线网络上时,输出容性负载同样也会降低线条的阻抗值。会降低线条的阻抗值。l没有负载时的传输延时定义为没有负载时的传输延时定义为tpd。l如果在传输线上有负载(包括所有负载的电容加到一起),如果在传输线上有负载(包括所有负载的电容加到一起),那么传输延时为:那么传输延时为:01CCttdpdpd上式意味着信号到达负载的时间会比没有负载的晚上式意味着信号到达负载的时间会比没有负载的晚信号线的容性负载信号线的容性负载EMC theory and application例如:假设例如
16、:假设5个个CMOS元件连接在信号线上,每个元件具有元件连接在信号线上,每个元件具有10pF的输入电容(总的输入电容(总Cd=50pF),在环氧树脂印制板中,),在环氧树脂印制板中,25mil印制线的特性阻抗印制线的特性阻抗Z0=50(t tr r=1.65ns/ft=1.65ns/ft),传输线),传输线的特性电容为的特性电容为C C0 0=35pF=35pF,此时发送信号的修正传输延时为:,此时发送信号的修正传输延时为:ft)(ns/57. 23550165. 1pdt此传输线的特性阻抗由于门限负载的影响而变化为:此传输线的特性阻抗由于门限负载的影响而变化为:3235501501000CC
17、ZZd可见,在可见,在50pF电容连接到传输线上后,阻抗从电容连接到传输线上后,阻抗从50下降为下降为3232,这种低阻抗会产生一些严重的功能性问题。,这种低阻抗会产生一些严重的功能性问题。EMC theory and applicationl在在PCB上,时钟电路应位于接近地管脚(到芯片地)上,时钟电路应位于接近地管脚(到芯片地)的位置,而不是在周围或接近的位置,而不是在周围或接近I/O区域。区域。l如果传输线连接到子板、扁平电缆或远离主如果传输线连接到子板、扁平电缆或远离主PCB板板的周边设备上时,此传输线就必须在连接处或边界处的周边设备上时,此传输线就必须在连接处或边界处直接端接。直接端
18、接。l晶振必须直接安装在晶振必须直接安装在PCB上,严禁使用插座,插座上,严禁使用插座,插座会在传输线上增加额外的引线电感。会在传输线上增加额外的引线电感。l只有与时钟相关的印制线或频率生成电路可以放置只有与时钟相关的印制线或频率生成电路可以放置在隔离开的时钟生成区域内,不允许有其他的线条在在隔离开的时钟生成区域内,不允许有其他的线条在相邻的信号布线层相邻的信号布线层“靠近或在时钟电路下面穿过靠近或在时钟电路下面穿过”时时钟电路区域。钟电路区域。元件布局元件布局EMC theory and applicationl如果可能,围绕整个时钟电路区域可以采用法拉如果可能,围绕整个时钟电路区域可以采用
19、法拉第笼屏蔽体,另外应使用地线包围这个区域。第笼屏蔽体,另外应使用地线包围这个区域。l布线过程中布置使用时钟或周期信号的布线过程中布置使用时钟或周期信号的PCB元件元件时,要求这些元件都要放置在时钟电路附近,这样,时,要求这些元件都要放置在时钟电路附近,这样,时钟或周期信号就可以采用具有最小长度和过孔数时钟或周期信号就可以采用具有最小长度和过孔数量的最接近直线的布线结构。量的最接近直线的布线结构。l任何位于任何位于I/O元件元件5cm以内的周期信号或时钟的电以内的周期信号或时钟的电路,其信号的边沿速率都不应小于路,其信号的边沿速率都不应小于10ns,这是因为,这是因为多数的多数的I/O电路(串
20、口、并口、音频等),与其他功电路(串口、并口、音频等),与其他功能电路区域相比,速率通常都较慢。能电路区域相比,速率通常都较慢。EMC theory and applicationl在元件布局过程中,设计者需要能判断在元件布局过程中,设计者需要能判断PCB上的印制线是上的印制线是否是电气长的否是电气长的l如果一条传输线是电气长的,那么就要考虑信号完整性和如果一条传输线是电气长的,那么就要考虑信号完整性和EMI问题问题l电气长线条的定义:一条传输线的物理长度足够长,以至电气长线条的定义:一条传输线的物理长度足够长,以至于从源到负载传播的电磁波和它通过回路回到源的过程在下于从源到负载传播的电磁波和
21、它通过回路回到源的过程在下一个边沿转换之后还在进行一个边沿转换之后还在进行l使用使用FR-4材料时,在传输线中典型的信号传播速度为光速材料时,在传输线中典型的信号传播速度为光速的的60%,未端接的线条的最大允许长度可按下式计算,这样,未端接的线条的最大允许长度可按下式计算,这样可确定是否需要对传输线进行端接。可确定是否需要对传输线进行端接。pdrttl2maxtr是边沿速率,是边沿速率,tpd是是传播延时,传播延时,lmax是最是最大布线长度大布线长度线条长度的计算(电气长的印制线条)线条长度的计算(电气长的印制线条)EMC theory and applicationEMC theory a
22、nd applicationl通过下面的例子,可以看到如何使用特性阻抗、传播延时通过下面的例子,可以看到如何使用特性阻抗、传播延时和容性负载来判断信号线是否需要端接和容性负载来判断信号线是否需要端接在在5in长微带线上使用一个长微带线上使用一个5ns边沿速率的器件,六个负载边沿速率的器件,六个负载(元件)分布在整个线条上,每个器件的输入电容为(元件)分布在整个线条上,每个器件的输入电容为6pF,这个线条需要端接吗?这个线条需要端接吗?几何尺寸:印制线宽度几何尺寸:印制线宽度W=0.010in;位于参考平面上的高度;位于参考平面上的高度H=0.012in;印制线厚度;印制线厚度T=0.002in
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