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3.高速電路布局布線考量

 Jones_橋 2020-05-30

一、布局布線

(1)高速器件在數(shù)字電路中由于電流的不連續(xù)性,會產(chǎn)生浪涌電流。

(2)浪涌電流的存在,會導(dǎo)致電路產(chǎn)生高頻噪聲。

(3)高速電路中必然會存在寄生電感、寄生電阻和寄生電容,從而導(dǎo)致電路走線可以承受的最大浪涌電流的能力下降,進(jìn)而導(dǎo)致部分壓降,甚至可能導(dǎo)致電路失能。

(4)電容越大,其在傳輸能量上是受限于傳輸速率的。故會使用一個(gè)大容量電容和小容量電容并聯(lián)使用,以滿足整個(gè)頻率范圍。

(5)信號過孔會在電源層和地層產(chǎn)生熱點(diǎn)(Hot Spots)。避免熱點(diǎn)的辦法就是網(wǎng)狀式放置過孔。

二、走線的彎曲方式

(1)高速信號線盡量避免彎曲,不得不彎曲時(shí),應(yīng)走鈍角,而不是銳角或直角。

(2)通過走蛇形線來實(shí)現(xiàn)等長。需滿足4W/1.5W規(guī)則。

三、信號的接近度

(1)高速信號線間距離太近,很易產(chǎn)生串?dāng)_。

(2)在空間允許的情況下,盡量加大兩高速信號線間的距離。

四、走線stubs

(1)長的stubs線相當(dāng)于一根天線,處理不當(dāng)會產(chǎn)生嚴(yán)重的EMC問題。同時(shí)stubs線會造成反射,降低信號的完整度。

(2)通常在高速信號線上面添加上拉或者下拉電阻的時(shí)候,會最容易產(chǎn)生stub線,而一般處理stub線的可以是菊花走線。

五、阻抗不連續(xù)

(1)走線的阻抗值一般取決于其線寬以及該走線與參考平面之間的距離。

(2)走線越寬,其阻抗越小。

(3)阻抗不連續(xù),會產(chǎn)生信號反射。

(4)在接口端子或者器件的大焊盤下面放置一個(gè)禁布銅皮,同時(shí)在另外一層放置該焊盤的參考平面,進(jìn)而加大阻抗,使阻抗連續(xù)。

(5)過孔也是產(chǎn)生阻抗不連續(xù)的源頭。為了最小化這種效應(yīng),在內(nèi)層和過孔連接的不需要的銅皮應(yīng)該去除

六、差分信號

(1)在布差分信號線時(shí),盡量保證對稱(等寬、等間距)。

(2)在差分線對內(nèi),禁止布置過孔或元器件。

(3)一些高速差分信號線需要串接耦合電容,該電容同樣需要對稱布置,且其封裝不能過大。

(4)對于高速差分信號線盡量減少過孔,如果要使用也得對稱布置。

(5)對于高速差分信號線對,為了保證阻抗連續(xù),故差分線對必須走線在同一層,如果只放置了一個(gè)過孔,即使差分信號線對稱也會產(chǎn)生阻抗不連續(xù),故即使放置過孔也應(yīng)該對稱放置。

七、等長

(1)通過蛇形線來實(shí)現(xiàn)等長,從而來滿足時(shí)滯誤差要求。

(2)蛇形線一般布置在失長的源頭處,而不是遠(yuǎn)端。在源頭處才能保證差分線的正負(fù)端的信號在大部分時(shí)間內(nèi)都是同步傳輸?shù)摹?/p>

(3)走線彎曲處是產(chǎn)生失長的源頭之一。對于走線彎曲處,其實(shí)現(xiàn)等長的應(yīng)靠近彎曲處(<=15mm)。

(4)如果有兩個(gè)走線彎曲,且兩者之間的距離<15mm,故此時(shí)兩者的失長會互相補(bǔ)償,故此時(shí)不用再做等長處理。

(5)對于不同部分的高速差分信號線,應(yīng)分別獨(dú)立等長。

(6)對于如LVDS顯示器件等接口,會同時(shí)存在數(shù)對差分對,且差分對之間的時(shí)序要求一般都會特別嚴(yán)格,時(shí)滯要求特別小,所以對于此類差分信號對我們要求一般在同一平面內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。

(7)有些EDA軟件在計(jì)算走線長度時(shí),會將焊盤內(nèi)部的走線也會計(jì)算在長度之內(nèi),如果此時(shí)進(jìn)行長度補(bǔ)償,最終實(shí)際結(jié)果會失長。

(8)在任何時(shí)候,如果可以就一定選擇對稱出線進(jìn)而避免需要最終為了等長而進(jìn)行蛇形走線。

(9)如果空間容許,盡量在短的差分線源頭處加一個(gè)小的回環(huán)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,而不是通過蛇形線來補(bǔ)償。

八、信號回流路徑

(1)對于高速信號線,電流的回流路徑會循著信號的走線回來,即遵循最小阻抗路徑,而不是最小電阻路徑。

(2)高速信號線不應(yīng)該布置在割裂的平面上,因?yàn)楦盍训钠矫嫫浠亓髀窂經(jīng)]辦法沿著信號線返回。如果平面被割裂,則迂回布線,這樣保證回流路徑沿著信號線的路徑返回。如果信號路徑和回流路徑被隔離,則會形成環(huán)形天線,產(chǎn)生EMC的問題。

(3)如果需要在不同的參考平面之間走線,則需要在兩參考平面之間加入一個(gè)縫結(jié)電容,保證回流路徑能夠從一個(gè)參考平面到另外一個(gè)參考平面。該縫結(jié)電容應(yīng)該靠近信號路徑放置,保證電流的走線路徑和回流路徑之間的間距在合理的范圍內(nèi)。一般縫結(jié)電容值為10nF到100nF之間。

(4)盡量不要在一些禁布銅皮區(qū)和電源槽走線,因?yàn)榇藭r(shí)就會導(dǎo)致信號的走線路徑和電流的回流路徑之間間距被增大,如果不可避免,同樣需要添加一個(gè)縫結(jié)電容來實(shí)現(xiàn)走線路徑與回流路徑的間距最短,最終避免了環(huán)形天線的產(chǎn)生。

(5)在走線高速信號時(shí),盡量避免將過孔布置的過密。如果過孔過密將會導(dǎo)致參考平面被割裂,最終回流路徑不得不繞著其他方向返回,最終生成環(huán)形天線。

(6)對于高速線號線而言,GND和PWR的過孔我們應(yīng)該就近扇出,而不是通過導(dǎo)線來連接,如果我們直接通過導(dǎo)線來連接,將會強(qiáng)制指定回流路徑,最終很有可能會形成環(huán)形天線,進(jìn)而產(chǎn)生EMC的問題。


(7)當(dāng)選用電源平面作為參考面時(shí),此時(shí)信號需要通過電源平面進(jìn)行回流,但是在信號的源端和匯端的參考平面卻是GND平面,為了使其在源端和匯端的參考平面選擇為電源平面,可以通過縫結(jié)電容來實(shí)現(xiàn)。一般選在10nF到100nF之間。

(8)如果信號走線換層同時(shí)參考面發(fā)生變化,此時(shí)應(yīng)該在過空出添加一個(gè)縫結(jié)電容,這樣保證回流路徑阻抗最小。對于差分信號,應(yīng)對成放置。

(9)盡量避免在參考平面邊緣或者在PCB板框邊緣走高速信號線,否則會對走線阻抗產(chǎn)生有害的影響。

九、模擬地和數(shù)字地的分離

(1)數(shù)字噪聲耦合是由于感性和容性器件的存在進(jìn)而耦合到模擬電路中去,針對于這種情況應(yīng)該將模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行隔離。

(2)耦合途徑是通過寄生的電感在回流路徑處進(jìn)行耦合,解決方法是分別接地。

(3)隔離方式有兩種:一種是通過物理上的隔離,另一種是虛擬隔離。

(4)物理上的隔離(參考面分割):必須保證數(shù)字電路和模擬電路完全隔離

(5)虛擬隔離(虛擬參考面分割):同樣要保證完全隔離。

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