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1电源分配
高速系统板设计中要考虑的首要问题就是电源分配网络。电源分配网络必须为低噪声电路板上的各部分电路提供一个低噪声的电源,包括VCC和地。同时,电源分配网络还要为电路板上所有接收的信号提供一个信号回路。
1.1 电源分配方式及阻抗
对于一个理想电压源,其阻抗为零,这个零阻抗保证了负载端的电压与电源端的电压相等。因为噪声源的源阻抗相对于电压源的零阻抗为无穷大,所有的噪声被吸收。但是,对于一个实际电源,它具有一定的阻抗,且阻抗分布于整个电源网络中,从而使噪声叠加在电源上。为此,电源分配网络设计的主要目标就是尽可能减小网络中的阻抗。目前,有总线式和电源层式两种电源网络分配形式。
总线系统是由一组具有电路板所需的不同电压级别的电源线组成,每种电压级别所需的线路数目根据系统的不同而不同。电源层系统则是由多个涂满金属的层(或者层的部分)组成的,每个不同电压级别需要一个单独的层。
在总线式的电源分配方案中,电源总线与信号线在同一层中,为了给所有的器件提供电源,并给信号线留出空间,电源线总是趋于长且窄的带状。这就相当于电源线上串了一个电阻,尽管这个电阻很小,但其影响却很大。例如,在一个只有20个器件的小电路板上,若每个器件的吸收电流为200 mA,那么总电流将为4 A。此时,若电源总线的电阻为0.125 Ω,也会产生0.5 V的压降,从而使得电源总线末端的器件得到的电压只有4.5 V。
对于电源层式分配方案,由于电源是通过整个金属层来分配,其电源阻抗很小,所以电源噪声也比总线式小得多。
1.2线路噪声的滤出
仅靠电源层并不能消除电源的线路噪声,由于不论采用何种电源分配方案,整个系统都会产生足以导致发生问题的噪声,所以,额外的滤波(通常利用去耦电容完成)措施是必需的。一般,应在电路板的电源接入端放置一个1～10 μF的电容,滤除低频噪声;在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01～0.1 μF的电容,滤除高频噪声。
滤波的目的是滤除叠加在电源供应中的交流成分,似乎电容越大越好,但实际并非如此,这是因为实际电容并不具有理想电容的所有特性。实际电容存在寄生成分,这是构造电容器极板和引线时所形成的,而这些寄生成份可等效为串联在电容电路上的电阻与电感,通常称之为等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。这样,电容实际上就是一个串联谐振电路,其谐振频率为
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频率小于fR时呈现为电容,频率大于fR时呈现为电感。所以,电容器更像是一个带阻滤波器,而不是一个低通滤波器。
电容的ESL和ESR是由电容的构造和所用介质材料决定的,与电容容量无关。对于高频的抑制能力并不会因为更换大容量的同类型电容而增强。更大容量的同类型电容器的阻抗在频率低于fR时,比小容量电容器的阻抗小。但是,当频率大于fR时,ESL决定了二者的阻抗没有差别。可见,为了改进高频滤波特性,必须使用具有较低ESL的电容器。任何一种电容器的有效频率范围是有限的,而对于一个系统,既有低频噪声,又有高频噪声,所以,通常要用不同类型的电容并联来达到更宽的有效频率范围。
去耦电容在板上的放置位置也很关键,它直接影响高频滤波的有效性。一般的放置方法如图1(a)所示,这样做只是方便布线,并不能提供最有效的高频滤波特性。为了得到更好的高频特性,应采用图1(b)所示的放置方法,在该方法中最好使用贴片电容并放置在器件的另一面。
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传输延迟时间同样也取决于L0和C0,单位为时间单位／单位长度,且:
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2.1 传输线的阻抗计算
在PCB设计中,有带状线和微波线两种传输线。带状线是指信号线夹在两个电源层之间,理论上它能最好地传输信号,因为它两边都有电源层的屏蔽,但它不利于信号线的测试。微波线的信号线在外层,地层在信号线的另一边,这样就易于测试。
L0、C0、Z0和tPD0是由信号线的物理特性和电路板介质特性决定的,对于带状线:
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对于微波线:
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其中,εR是电路板介质的相对介电常数。
