高速电路设计理论基础45页PPT
高速PCB设计原理和技术PPT课件
➢ 过冲和下冲的后果： 过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致其过早地失效；过分的下冲
能够引起假的时钟或数据错误（误操作）。
Philips and Neusoft Medical Systems Co., Ltd. ., Ltd.
., Ltd.
., Ltd.
., Ltd.
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Ltd.
高速PCB设计原理和技术
PCB设计原理和技术
2009.8.13
Philips and Neusoft Medical Systems Co., Ltd. ., Ltd.
., Ltd.
., Ltd.
., Ltd.
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Ltd.
高速PCB设计原理和技术
交流内容：
1. 基本概念 2. 信号完整性分析及解决方法 3. 电源完整性分析及解决方法 4. 传输线理论及特征阻抗控制 5. 反射理论及端接技术 6. PCB的叠层结构设计 7. 电磁兼容设计 8. PCB设计仿真 9. 高速电路设计经验分享
会导致地弹的增大。
➢ 地平面回流噪声： 是指由于地电平面(包括电源和地)分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽
地等，当数字信号走到模拟地线区域时，在地平面产生的回流噪声。
在多电压PCB设计中，地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。
Philips and Neusoft Medical Systems Co., Ltd. ., Ltd.
串扰只发生在Aggressor的上升或下降沿
➢ 影响串扰的因素： PCB板层的参数（厚度，介电常数）等、信号线间距、线端接方式等 。
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高速电路设计
• 直连导线尽可能靠近地平面分布，效果 要比捆扎在一起好得多
9/12/2022
普通直连导线的缺点
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传输线
• 传输线由任意两条有一定长度的导线组成，为区分这两条导线，把一条称为信号路 径，另一条称为返回路径
• 传输线有许多异乎寻常的特性，这里这研究那些与高速数字信号在铜介质上分布规 律有关的基本现象
• 如图所示，一个跃变电压沿一条10in长的直导线传输时的电位，1ns的上升 沿从走线左端注入，随着该脉冲沿走线向前传播，线上各点的电位是不同 的。这个系统对输入脉冲的响应是沿走线分布的，所以称之为分布式系统
• 如果及寸足够小，并且所有点同时响应为一个统一电位，则称之为集总系 统
• 尺寸小于信号传输有效长度的1/6，那么我们就把他看做是一个集总电路
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分布电路和集总电路上电位在 不同时间的瞬时波形图
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高速电路中的4种类型的电抗
• 普通电容—两个具有不同电位的导体之间都会产生电容。
• 普通电感—只要存在电流，就会产生电感
• 寄生电容—只要存在两个电路就会有电容。一个电路的电压产生 电场，该电场会影响第二个电路。这种互相影响会随距离的增加 而迅速减小
• 通常，我们使地线作为信号的返回路径
• 但是在传输线的情况下，返回电流是紧靠信号电流的，即使信号路径是弯曲时也是 一样的，因为在高频时，信号路径和返回路径的电感要最小化，这意味着只要导体 情况允许，返回路径会尽可能靠信信号路径分布 在低速电路中，电流沿着最小电阻路径前进 在高速电路中，电流沿着最小电感路径前进
高速电路设计理论基础
单位长度时延:
t pd L0C 0
传输线理论—PCB板中的传输线分析（1）
顶层（第一层），信号层，微带传输线 第二层，平面层 第三层，信号层，带状传输线
绝缘介质
r
第四层，信号层，带状传输线
第五层，平面层 底层（第六层），信号层，微带传输线
传输线理论—PCB板中的传输线分析（2）
w
t h
高速电路设计理论基础
内容提要
高速数字电路简介 信号完整性
概述 传输线理论 反射及端接技术 串扰及其改善 地弹及其改善
高速数字电路简介—电路的发展
数字电路的发展科追溯到19世纪40年代，在 电话中使用继电器。 以后经历了电子管时代->晶体管时代->集成电 路时代 发展的趋势是速度越来越高，功耗越来越低， 封装越来越小，规模越来越大。（设计者需 要折衷）
r 4 . 3, h 14 . 5 mil , w 6 mil , t 1 . 38 mil (1ozCu )
Z 0 43
传输线理论—PCB板中的传输线分析（5）
传输线理论—反射的概念
传输线上只要出现阻抗不连续点就会出现信号的反射现 象，如：信号线的源端和负载端、过孔、走线分支点、走线 的拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。通常所 说的反射包括负载端反射和源端反射。负载端与传输线阻抗 不匹配时会引起负载端反射，负载将一部分电压反射回源端。 源端与传输线阻抗不匹配时会引起源端反射，由负载端反射 回来的信号传到源端时，源端也将的部分电压再反射回负载 端。反射造成了信号振铃现象，如果振铃的幅度过大，一方 面可能造成信号电平的误判断，另一方可能会对器件造成损 坏。
高速电路设计1_信号完整性PDF课件--北京理工大学DSP课件一次性下载(高梅国教授)
BIT/TI
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2、信号完整性
BIT/TI
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3、传输线理论
• 传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，， 传输线的研究涉及很多复杂的理论。
• 在高速数字设计中只涉及到四种：同轴电缆、 双绞线、微带线和带状线
• 最重要参数：传输线的特性阻抗和信号在传输 线中的时延。
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
信号线(带状传输线)
平面层
h
ξr
Hale Waihona Puke t信号层平面层
Z0 =
60 ln 1.9h
ξr 0.8w + t
t pd = 85 ξ r
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析 – 对某参数： • 微带传输线 Z0 = 54Ω • 带状传输线 Z0 = 43Ω – 对于同样的电介质， • 微带传输线的传输速度要比带状传输 线的快 • 一般微带传输线的阻抗也比带状传输 线的高。
第四层，信号层，带状传输线 第五层，平面层 底层（第六层），信号层，微带传输线
BIT/TI
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3、传输线理论
• PCB板中的传输线分析
w
t
h
ξr
信号线(微带传输线) 信号层
平面层
Z0 =
87 ln 5.98h
ξr + 1.41 0.8w + t
t pd = 85 0.475ξr + 0.67
BIT/TI
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3、传输线理论
同轴电缆
外层介质 外层屏蔽 内层介质 内层导体
高速电路系统原理与设计 概述1要点共62页文档
高速电路系统原理与设计 概述1要点
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
《高速电路板设计》ppt课件
高速PCB设计要点
防止覆铜的弊端
当电路板中运用覆铜时，一定要检查各个部分对地衔接能否充分，设计过程中一 定要思索电流强度
tengine
高速PCB设计要点
丝印层的妙用
在一些场所运用丝印可以有效的防止短路、屏蔽电磁干扰
tengine
高速PCB设计要点
PCB上添加Mark点，方便机器焊接
高速PCB设计
研发部：熊雄
主要内容
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常用的PCB设计工具
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高速PCB设计要点
3
PCB设计阅历列举
PCB设计工具
➢原理图设计工具ORCAD
虽然很多软件有自带的原理图设计工具，但他们都不具有通用性。ORCAD 是一款万能原理图设计软件，它生成的NETLIST支持市面上绝大多数的
PCB设计软件
tengine
2、电源噪声滤除 滤除噪声的有效方法是运用滤波电容，可以放置一个1uF到10uF的去耦电容在电 源接入电路板处，滤除低频的噪声。放置一个0.01uF到0.1uF的去耦电容在板上 每一个有源器件的电源管脚处，滤除高频噪声。
tengine
高速PCB设计要点
PCB投板前的检查
1、机械构造的核对 2、原理图检查 3、PCB的布线检查〔CAM350的运用〕
tengine
高速PCB设计要点
叠层构造设计
tengine
高速PCB设计要点
叠层构造设计
tengine
高速PCB设计要点
高速PCB的规划
PCB规划的根本原那么： 1、先放置与构造关系亲密的元件,如衔接器/开关/电源插座等 。 2、摆放中心器件以及体积较大的器件,在以中心器件为中心摆放周围电路元器件 3、规划应该尽量满足以下要求:总的连线尽能够短；关键信号尽量短；高电压、
《电路分析基础》PPT课件..课件
基尔霍夫电压方程也叫回路电压方程（KCL方程）
精品
基尔霍夫电压定律（KVL）
基尔霍夫电压定律的另一种描述：集总参数电
路中，沿任意闭合回路绕行一周，电压降的代数 和=电压升的代数和。
基尔霍夫电压定律是能量守恒的结果，体现了
电压与路径无关这一性质，是任一回路内电压必 须服从的约束关系。
精品
KVL示例
电阻消耗的瞬时功率
参考方向一致时 参考方向不一致时
电阻消耗的能量
精品
1.5 独立电源
术语
电路中的电源：
独立电源：就是电压源的电压或电流源的电流不受外电 路的控制而独立存在的电源。 受控电源：是指电压源的电压和电流源的电流，是受电 路中其它部分的电流或电压控制的电源。 电压源和电流源
精品
电压源
精品
支路、节点、回路、网孔
支路： 1、2、3、4、5、6、7 节点： ①、②、③、④、⑤ 简单节点： ④
回路： ①-②-③-④-① ①-②-⑤-① ①-②-⑤-③-④-①等等。 网孔： ①-②-③-④-① ①-②-⑤-① ②-③-⑤-② 思考:①-②-③-⑤-①是网孔吗? 网孔一定是回路，但回路不一定是网孔。精品
电路的组成(component)
激励与响应
精品
1.1电路和电路模型
电路的作用：能量和信息两大领域
1.电力系统：实现电能的传输和转换。 能量是主要的着眼点。涉及大规模电能的产生、 传输和转换(为其他形式的能量)，构成现代工业生产、 家庭生活电气化等方面的基础。
精品
1.1电路和电路模型
电路分析基础
精品
电路基础培训(ppt 33页)
– 电压摆幅 – 共模电平范围 – 端接
• 直流耦合
– 直接接口，需要仔细处理接口的共模电平范围
• 交流耦合
– 通过电容隔直，可以单独设置共模偏置，设计容易
• 交流耦合时，数据中0-1个数不同，会导致传输失 败，需要直流平衡编码——CIMT，8B/10B
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接口部分参考资料
Component Pitfalls
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硬件开发人员常用知识
This part may include RAM, PCI Bridge etc...
MCU/CPU
Local Bus
EPLD
Power Supply Interface
Clock
FPGA
简单单板示意
• 电源
– 线性电源 – 开关电源
• PLD • 接口 • 时钟/定时 • 电路互联 • 可靠性 • 专门知识
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电路常识
• 器件远不是理想的
– 电源
• 额定功率，内阻，纹波，频率特性，负载特性……
– 电阻：
• 额定功率，阻值误差，温度系数，噪声，寄生参数……
– 电容
• 击穿电压，ESR，ESL，漏电流，介质吸收，温度，湿度，漏 液（液体铝电解电容），明火（固体钽电解电容）……
– 电感
• 电阻，寄生电容，功率……
– 实际的切换电平在0.8~2.0V之间的某一个电平，可能随 电源、温度、厂商等有一些变化
– VOH（VOL）随着输出负载电流的降低（增加） – 信号完整性问题使噪声裕度进一步降低
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接口—— RS-232/RS-485
• 成熟，低速 • 232电平（来源于TIA/EIA-232-F-1997）
高速电路设计培训资料一
第一章概述1.1如何区分高速和低速高速设计和低速设计的区分,简单来说,就是分布式系统思维和集总式系统思维的区别. 误区:信号周期频率F高的才属于高速设计事实上,设计中需要考虑的最高频率往往取决于信号的有效频率(或称转折频率)F/kneeF/knee=0.35/Tr 其中Tr是信号时钟T的10%~90%的上升时间；（根据傅立叶变换得到的）注：`（1）在没有现成的电路下，没办法测出Tr，此时，可假设信号的上升时间为信号周期的7%，即F/knee约为信号周期频率的7倍。
（2）上一点对高频信号（eg:1GHz以上的信号）并不成立，极高频信号的上升沿很缓，上升时间甚至可能达到信号周期的20%，因此，再利用F/knee的计算公式已经没有意义，同时，判断极高频信号属于高速还是低速，本身就没有意义。
（3）对所有的高速信号，应视做传输线处理。
误区:电容、电感是理想器件1、在低速领域，电容、电感的工作频段比较低，可以认为它们都是理想器件，高速领域，电容和电阻已经不能简单地视为纯粹的电感、电容。
低速电路中，C两端被视为断路，而在高速电路中，假定其工作频率为F，则电容C表现出的电抗值为1/（2πFC），当F很大时，电容表现为短路；同理电感在低速中表现为短路，在高速电路中将表现断路。
2、高速与低速的区分,不仅取决于信号的有效频率;还取决于信号传输路径的长度.一般而言,当L＜U*1/6，为低速信号，反之为高速信号其中，L为信号传输路径的长度(即信号线的长度)，U为信号线的有效长度3、信号线的有效长度UU=(0.35/F knee)/DD:是信号在PCB上的走线延时（ps/inch），即信号在PCB上传输速度的倒数。
4、如何计算D空气的传输速度为300 000 000m/s，介电常数Er=1，以介电常数Er=4.5的PCB材质为例，铜线的传输速度为141 000 000m/s，由于1m=39.37inch，所以传输速度为5550 000 000inch/s即D为180ps/inch。
电子电路设计基础PPT课件
详细描述
滤波器设计主要涉及选择合适的滤波器类型（如低通、高通、带通、带阻等）和确定相 关参数（如截止频率、通带增益、阻带衰减等），常用的设计方法有巴特沃斯滤波器和
切比雪夫滤波器等。
振荡器设计
总结词
振荡器用于产生一定频率和幅度的正弦波信 号。
详细描述
振荡器设计关键在于确定起振条件、调节频 率和幅度稳定性等参数，常见的振荡器类型
电感
总结词
电感是电子电路中用于存储磁能的元 件。
详细描述
电感由导线绕成线圈组成，其电感量 取决于线圈的匝数、线圈的直径、线 圈的长度以及线圈的材料。电感具有 阻止电流变化的特性，常用于滤波、 振荡和延迟等电路中。
二极管
总结词
二极管是电子电路中常用的半导体元 件，具有单向导电性。
详细描述
二极管由一个PN结组成，正向偏置时 导通，反向偏置时截止。二极管具有 整流、检波、开关等应用，广泛用于 各种电子设备和电路中。
集成电路设计
将多个电子元件集成在一块芯片上。
集成电路设计是将多个电子元件集成在一块 芯片上的过程。集成电路可以实现复杂的电 路功能，提高设备的可靠性和性能。集成电 路设计涉及多个领域的知识，包括电路设计 、版图绘制、工艺制造等。随着技术的发展 ，集成电路的规模越来越大，功能越来越复 杂，成为现代电子系统不可或缺的重要组成
部分。
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设计工具与技术
EDA工具
总结词
EDA工具是电子设计自动化的简称，是电子设计过程中 不可或缺的工具。
详细描述
EDA工具包括原理图编辑、电路仿真、布局布线、可靠 性分析等多种功能，能够帮助设计师快速完成电路设计 、优化和验证。常见的EDA工具有Altera Quartus、 Xilinx ISE、Mentor Graph总结词
硬件培训高速电路
高速电路――――传输硬件培训（4）郑超（因为高速电路有好多参照资料，本文其实不重视全面叙述原理、各样般配和计算方法，）而是重视评析一些高速电路的优弊端，并对常用电路进行介绍使用。
一、高速信号简介：常有的高速信号有几种：ECL 电平、 LVDS电平、CML电平此中 ECL 电平依据供电的不同还分为：ECL ――负电源供电（一般为－ 5.2v ）PECL ――正 5V 供电LVPECL ――正 3v3 供电，还有一种供电一般状况下，常有的高速信号都是差分信号，因为差分信号的抗扰乱能力比较强，并且自己产生的扰乱比较小，能够传输比较高的速率。
二、几种常有的高速信号：1、PECL 电平从发展的历史来说， ECL 信号最开始是采纳－ 5.2V 供电的（为什么采纳负电源供电下边会详尽说明），可是负电源供电一直存在不便，以后跟着工艺水平的提高，渐渐被LVPECL PECL 电平（ 5V 供电）所代替，以后跟着主流芯片的低电源供电渐渐普及，也就理所应当地代替了 PECL 电平。
PECL 信号的输出门特色：A 、输出门阻抗很小，一般只有4～ 5 欧姆左右：a、输出的驱动能力很强；直流电流能达到14mA ；b、同时因为输出门阻抗很小，与PCB板上的特色阻抗Z0（一般差分100 欧姆），相差甚远当终端不是完好般配的时候，信号传到终端后必定有必定的反射波，而反射波传会到源端后，也不可以在源端被完好般配，这样必定发送二次反射。
正因为存在这样的二次反射，致使了 PECL 信号不可以传输特别高的信号。
一般155M、622M的信号还都在使用PECL/LVPECL 信号，到了 2.5G 以上的信号就不用这种信号了。
c、B、 PECL 信号的回流是依靠高电平平面（即VCC）回流的，而不是低电平平面回流。
因此，为了尽可能的防止信号被扰乱，要求电源平面扰乱比较小。
也就是说，假如电源平面干扰很大，很可能会扰乱PECL 信号的信号质量。
a、这就是ECL 信号出现之初为什么采纳负电源供电的根来源因。