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2.2反射及其消除
从信号源到负载的最大能量传输要求负载阻抗等于源阻抗,如果两者不相等,那么信号的一部分能量被负载吸收,一部分被反射回信号源,信号源就会产生相应的变化去补偿输出。这样,负载端的信号波就可以当作反射波与信号源的输出叠加。反射波取决于线阻抗与负载阻抗的失配情况及信号跳变时间tR与传输延迟时间tPD的比率。
如果跳变时间远大于传输延迟时间,反射对信号只引起小小的扰动,在负载端表现为小小的过冲。如果传输延迟时间足够大,当反射信号返回信号源时,信号源的输出已经改变了许多,这样,信号源就得作出较大的变化去补偿输出,而负载端又反射变化后的信号,从而产生振铃现象。
传输线上反射信号的大小取决于传输线阻抗Z0与负载阻抗ZL的差别。反射信号与原信号的比值,称为反射系数KR,且
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也就是说,负载开路或短路时,信号全部反射回去。短路时反射回去的信号是反向的。
对于大多数系统来说,需要一种技术来消除反射,这种技术就是端接。端接方法有并联端接和串联端接两种。前者是指在负载端并联一个电阻使负载阻抗ZL减小到Z0,以消除第一次反射;后者是指在负载端串联一个电阻使源阻抗ZS增加到Z0,以消除第二次反射。通常一个非常匹配的端接是不可能的,因为驱动器的高电平输出阻抗和低电平输出阻抗有差别,从而使得端接电阻的选择很困难,不可能有一个对两种情况都很理想的端接电阻,具体设计时必须折衷选择。
2.3 传输线的布线规则
合适的端接将保证信号的抗干扰性能,但是不适当的布线仍会导致较大的噪声,因此,为了增强电路板的性能,具体布线时应遵循:① 避免传输线的阻抗不连续性。阻抗的不连续点就是传输线的突变点,它将产生信号的反射。布线时不要使走线成直角;尽可能少用过孔;避免外层的信号通过内层以及内层的信号通过外层。② 避免采用桩线,因为桩线也是噪声源,而应改为两条走线,并在两条线的末端都作端接,如图3所示。
3 串扰及其消除
串扰是信号线之间不希望有的耦合,有容性串扰和感性串扰两种。容性串扰就是信号线间的容性耦合,当信号线在一定程度上靠得比较近时就会发生。感性串扰可以想象为信号在一个不希望有的寄生变压器初次级之间的耦合,变压器绕组就是电路板上信号的电流环路,这个环路可能是人为造成的,也可能是信号的自然回路形成的。感性串扰的大小取决于两个环路的靠近程度和环路面积的大小以及所影响的负载的阻抗。
对于串扰的消除可以采用以下措施:对串扰敏感的信号线进行适当的端接;增大信号线之间的距离以减小容性串扰;在相邻信号线之间插入地线也可减小容性串扰,但这根地线需要每隔1／4λ(λ为信号线上信号的最高频率的波长)加一个过孔接到地层;对于感性串扰,应尽可能减小环路面积,若允许,就消除这个环路;避免信号共用回路。
4 电磁干扰(EMI)及其消除
随着电路速度的提高,EMI就会变得越来越严重。减小EMI的途径多种多样,下面主要从电流环路的消除、滤波和器件的速度三个方面作一简要介绍。
在所有的设计中,环路是不可避免的。环路相当于一个天线,因此最小化环路引起的EMI问题,就是要减少环路的数量和环路的天线效应,避免产生人为的环路并尽量减小环路的面积。确保信号在任意的两点上只有唯一一条回路路径,可以避免人为环路;尽可能利用电源地层,可以保证信号的自然回路与信号的环路面积最小,但在电源地层的使用中,应注意信号回路不能被阻塞。
滤波是减小电源线上EMI的常用方法,有时也可用于信号线上。但对信号线的滤波是仅当其它方法无法消除信号噪声时才采用的措施。滤波通常有去耦电容、EMI滤波器和磁性元件三种方法。去耦电容在前文中已作过叙述;EMI滤波器是商业性的器件,种类很多,应用在不同频率范围的都有;磁性元件是由铁磁材料构成的,主要用于抑制高频噪声。
在给定的频率范围内,器件产生的能量越少,辐射的噪声就越小。对于高速器件,其跳变时间更短,这意味着它在高频范围内有更多的能量,也就是说会产生更多的噪声。因此,在系统设计中,器件的选择很重要。如果系统要求的速度很高,那么就必须用速度足够高的器件,为此可能需要做出额外的努力以满足EMI。但是如果更低速度的器件可以满足系统的要求,那就没有必要用更高速的器件。
5 结束语
当更高速度的技术在理论上为更高速度的系统提供的可能性变为现实时,必须特别小心。本文从电源与地线的统一和稳定、合理的布线与消除反射的适当端接、串扰的消除、EMI要求的满足等几个方面详细讨论了高速印刷电路板的设计技术,以供同行参考。
