Altium Designer电子工程师培训6

传输线与阻抗匹配
? 集总系统与分布系统
300mm/ ns
– 信号在 PCB导线上传播的速度是：
?r
其中ε r是板材的相对介电常数，对于 FR-4 板材上的 PCB
走线，信号在其中的传播速度为 137mm/ns ，这是一个
有限的值
– 由于信号传播速度有限，如果信号变化太快，以至于在 一根导线上传播时，一端的电压发生了显著变化而另一 端电压还没有来得及变化，此时的系统称为“分布系统”，这时的导线称为“传
– 对于多 PCB的系统，电源应采用星型连接 – 对于PCB，应使用粗导线布置电源和地、或采用大面积铺铜
电源
电源
电路板1 电路板 2 电路板3
电路板 1
电路板 2
电路板 3
电源供应与去耦
? 去耦
– 电源和地供应线路一般会较长，具有较大的交流阻抗（主要是感抗） – PCB上的某个用电部分（比如一个 IC、或者 IC上的每一个电源引脚）如果耗电电流
Altium Designer Fundamental Training Course
Day 3 PM - Miscellaneous Knowledge
内容
? 电路与PCB设计的一些问题
– 电源供应与去耦 – 数字地与模拟地 – 布局与抗干扰 – 信号传输与回流 – 差分线 – 传输线与阻抗匹配 – 带状线与微带线 – 串扰 – 线长 – 接口电平与电平转换
? 阻抗匹配
– 信号从源端进入传输线以及从传输线进入末端时，如遇阻抗突变，将发生反射现 象，使得信号能量不能完好的传输——类似于光在传播过程中遇到介质突变时会 在介质交面上发生反射
– 为了避免信号反射，应做阻抗匹配，包括：
? 源端匹配：使源端信号输出阻抗等于传输线特征阻抗（ZS=Z0），可防止源端反射 ? 末端匹配：使末端信号输入阻抗等于传输线特征阻抗（ZL=Z0），可防止末端反射
输线”
– 如果信号中的最高频率分量对应的波长（在导线中的波长）小到与导线长度可比 拟，则该导线成为传输线
传输线与阻抗匹配
? 传输线的特征阻抗
– 形象地说：“信号电压的变化在传输线中“向前推进”时，会遇到一个等效于纯 电阻的阻碍作用”，这称为“传输线的特征阻抗”，它在数值上等于传输线分布 电感除以分布电容的商的平方根，常见的同轴电缆的特征阻抗为 50Ω
它们使用的电感应尽量采用封闭式的电感 – 包含电机驱动、大继电器驱动的电路，应远离小信号模拟部分，最好能将大电流
驱动部分与电路其它部分隔离，可采用光耦等器件
信号传输与回流
? 单端信号
– 电压是相对的，需要参考；电流不能无限累积，需要回流（回路），传输任何信 号不能只用一根导线
– 用一根导线传输一个信号，同时多个信号采用公共的无法供应迅速变化的电流（高频响应差） – 另一方面，由于一个电路部分耗电电流引起的公共供电路径上的压降变化会导致
的其它用电部分的电压变化 – 因此，可以在每个用电部分的电源端口处增加对地的电容，这个电容一般需要高
频响应比较快，弥补长供电路径的高频响应不足——“这个电容平常充着电，在 电路突然需要一个脉冲电流供应的时候，供电路径来不及响应，就由这个电容对 电路放电提供”，这个电容称为“去耦电容”
? 多层板的叠层方式 ? 常见封装
– 贴片电阻、电容、电感 – SOT89 、SOT223 、SOT23 – SO、SOP、TSOP、TSSOP 、SON、QFP、TQFP 、TSQFP 、QFN、BGA
电源供应与去耦
? 电源供应
– 当系统中多个 PCB或一个 PCB上的多个用电部分有公共的接地和供电路径时，一个 部分的耗电电流波动会导致公共路径上的电压降波动，进而导致其它部分供电电 压的波动，这是应当避免的，特别是对于模拟电路
数字地与模拟地
? 数字地与模拟地
– 数字电路（中的门、触发器）工作于通断状态下，它的耗电电流会有瞬时的突变 （主要集中在触发器翻转的瞬间
– 数模混合电路中，模拟部分需要连续稳定的供电，而数字部分的电流瞬时变化会 造成公共路径的压降突变，对模拟电路的影响会很大
– 为了避免数字部分对模拟部分影响，一般需要将数模的电源隔离、地线隔离—— 这便有了模拟地和数字地之分
– 与单端信号相对地，有“差分信号”，差分信号使用两根导线传输一个信号，互 为参考，形成无需“地”干预的回流路径
– 高速单端信号传输时，一定要有紧邻的“地”线伴随，便于电流回流，同时信号 线与地线围成的面积应尽量小，以减小路径的感抗
– 对于线缆，应保证每个信号附近有地线伴随；对于 PCB，应保证信号线下（或周围） 的地平面完整
或并行 – 一个电路单元，输入信号和输出信号的走线应尽量远离电源线 – 相邻的电感器，应该相互远离或者相互垂直，以免产生互感 – 电路中的射频部分应使用屏蔽，并尽量远离其它部分 – 高速数字电路应远离处理小信号的模拟部分 – 开关电源、 DC-DC 变换器会产生较大的电磁干扰，应远离模拟部分，或加屏蔽，
– 最理想的隔离方法便是独立电源供电，比较实际的方法是使用同一电源，通过电 感隔离去耦后分别连接模拟部分与数字部分，地线（对于 PCB一般是铺地）分隔， 只在少数地方相连
布局与抗干扰
? 布局与抗干扰
– 布局时，应尽量让相关模块靠近，以便使得所有重要信号的走线尽量短 – 一个电路单元，其信号输入走线应尽量远离信号输出走线，不能让它们靠的太近
ZL
ZL
地平面
地平面
GS SGS SG
差分线
? 差分线
– 差分线是用于传输一个信号的两根导线，称为“ p”（正、同相）和“ n”（负、 反相），它们互为参考，形成回流路径
– 差分信号关注两根线上的压差，而不关心每根线上的电压 – 如果p线和n线相互靠近则
? 路径感抗会很小 ? 它们受到的干扰会很一致，而这种一致的干扰（共模干扰）是不被关注的
– 差分线适宜于传输高速信号并具有良好的抗干扰能力 – 通常差分线中的两个导线也都是传输线（微带线或带状线，见后文）
差分线
? Altium Designer中的差分线
– 原理图中通过网络标号（以“ _P”和“ _N”结束）和差分线标记（“ P - V - F”） 定义差分对
– PCB规则中设置差分对的布线要求