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超實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)技巧(中篇)

發(fā)布時(shí)間:2012-11-29 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】在電子產(chǎn)品盛行的當(dāng)今,電子產(chǎn)品行業(yè)的設(shè)計(jì)都離不開PCB制圖軟件,而對(duì)于同一軟件每個(gè)工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品,應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)遇到這樣或是那樣的技術(shù)問題。這里我們總結(jié)了,一些在用PCB設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問題和設(shè)計(jì)技巧。希望對(duì)大家有幫助。

接著上篇:

34、2G以上高頻PCB設(shè)計(jì),走線,排版,應(yīng)重點(diǎn)注意哪些方面?
2G以上高頻PCB屬于射頻電路設(shè)計(jì),不在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。而射頻電路的布局(layout)和布線(routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的,因?yàn)椴季植季€都會(huì)造成分布效應(yīng)。而且,射頻電路設(shè)計(jì)一些無源器件是通過參數(shù)化定義,特殊形狀銅箔實(shí)現(xiàn),因此要求EDA工具能夠提供參數(shù)化器件,能夠編輯特殊形狀銅箔。Mentor公司的boardstation中有專門的RF設(shè)計(jì)模塊,能夠滿足這些要求。而且,一般射頻設(shè)計(jì)要求有專門射頻電路分析工具,業(yè)界最著名的是agilent的eesoft,和Mentor的工具有很好的接口。

35、2G以上高頻PCB設(shè)計(jì),微帶的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些規(guī)則?
射頻微帶線設(shè)計(jì),需要用三維場(chǎng)分析工具提取傳輸線參數(shù)。所有的規(guī)則應(yīng)該在這個(gè)場(chǎng)提取工具中規(guī)定。

36、對(duì)于全數(shù)字信號(hào)的PCB,板上有一個(gè)80MHz的鐘源。除了采用絲網(wǎng)(接地)外,為了保證有足夠的驅(qū)動(dòng)能力,還應(yīng)該采用什么樣的電路進(jìn)行保護(hù)?
確保時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力,不應(yīng)該通過保護(hù)實(shí)現(xiàn),一般采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片。一般擔(dān)心時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力,是因?yàn)槎鄠€(gè)時(shí)鐘負(fù)載造成。采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片,將一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)變成幾個(gè),采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接。選擇驅(qū)動(dòng)芯片,除了保證與負(fù)載基本匹配,信號(hào)沿滿足要求(一般時(shí)鐘為沿有效信號(hào)),在計(jì)算系統(tǒng)時(shí)序時(shí),要算上時(shí)鐘在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)時(shí)延。

37、如果用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,一般采用什么樣的接口,來保證時(shí)鐘信號(hào)的傳輸受到的影響小?
時(shí)鐘信號(hào)越短,傳輸線效應(yīng)越小。采用單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)板,會(huì)增加信號(hào)布線長(zhǎng)度。而且單板的接地供電也是問題。如果要長(zhǎng)距離傳輸,建議采用差分信號(hào)。LVDS信號(hào)可以滿足驅(qū)動(dòng)能力要求,不過您的時(shí)鐘不是太快,沒有必要的。

38、27M,SDRAM時(shí)鐘線(80M-90M),這些時(shí)鐘線二三次諧波剛好在VHF波段,從接收端高頻竄入后干擾很大。除了縮短線長(zhǎng)以外,還有那些好辦法?
如果是三次諧波大,二次諧波小,可能因?yàn)樾盘?hào)占空比為50%,因?yàn)檫@種情況下,信號(hào)沒有偶次諧波。這時(shí)需要修改一下信號(hào)占空比。此外,對(duì)于如果是單向的時(shí)鐘信號(hào),一般采用源端串聯(lián)匹配。這樣可以抑制二次反射,但不會(huì)影響時(shí)鐘沿速率。源端匹配值,可以采用下圖公式得到。

39、什么是走線的拓?fù)浼軜?gòu)?
Topology,有的也叫routing order.對(duì)于多端口連接的網(wǎng)絡(luò)的布線次序。

40、怎樣調(diào)整走線的拓?fù)浼軜?gòu)來提高信號(hào)的完整性?
這種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)方向比較復(fù)雜,因?yàn)閷?duì)單向,雙向信號(hào),不同電平種類信號(hào),拓樸影響都不一樣,很難說哪種拓樸對(duì)信號(hào)質(zhì)量有利。而且作前仿真時(shí),采用何種拓樸對(duì)工程師要求很高,要求對(duì)電路原理,信號(hào)類型,甚至布線難度等都要了解。

41、怎樣通過安排迭層來減少EMI問題?
首先,EMI要從系統(tǒng)考慮,單憑PCB無法解決問題。層疊對(duì)EMI來講,我認(rèn)為主要是提供信號(hào)最短回流路徑,減小耦合面積,抑制差模干擾。另外地層與電源層緊耦合,適當(dāng)比電源層外延,對(duì)抑制共模干擾有好處。

42、為何要鋪銅?
一般鋪銅有幾個(gè)方面原因。1,EMC.對(duì)于大面積的地或電源鋪銅,會(huì)起到屏蔽作用,有些特殊地,如PGND起到防護(hù)作用。2,PCB工藝要求。一般為了保證電鍍效果,或者層壓不變形,對(duì)于布線較少的PCB板層鋪銅。3,信號(hào)完整性要求,給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑,并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線。當(dāng)然還有散熱,特殊器件安裝要求鋪銅等等原因。

43、在一個(gè)系統(tǒng)中,包含了dsp和pld,請(qǐng)問布線時(shí)要注意哪些問題呢?
看你的信號(hào)速率和布線長(zhǎng)度的比值。如果信號(hào)在傳輸線上的時(shí)延和信號(hào)變化沿時(shí)間可比的話,就要考慮信號(hào)完整性問題。另外對(duì)于多個(gè)DSP,時(shí)鐘,數(shù)據(jù)信號(hào)走線拓普也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序,需要關(guān)注。

44、除protel工具布線外,還有其他好的工具嗎?
至于工具,除了PROTEL,還有很多布線工具,如MENTOR的WG2000,EN2000系列和powerpcb,Cadence的allegro,zuken的cadstar,cr5000等,各有所長(zhǎng)。
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45、什么是“信號(hào)回流路徑”?
信號(hào)回流路徑,即return current。高速數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí),信號(hào)的流向是從驅(qū)動(dòng)器沿PCB傳輸線到負(fù)載,再由負(fù)載沿著地或電源通過最短路徑返回驅(qū)動(dòng)器端。這個(gè)在地或電源上的返回信號(hào)就稱信號(hào)回流路徑。Dr.Johson在他的書中解釋,高頻信號(hào)傳輸,實(shí)際上是對(duì)傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。SI分析的就是這個(gè)圍場(chǎng)的電磁特性,以及他們之間的耦合。

46、如何對(duì)接插件進(jìn)行SI分析?
在IBIS3.2規(guī)范中,有關(guān)于接插件模型的描述。一般使用EBD模型。如果是特殊板,如背板,需要SPICE模型。也可以使用多板仿真軟件(HYPERLYNX或IS_multiboard),建立多板系統(tǒng)時(shí),輸入接插件的分布參數(shù),一般從接插件手冊(cè)中得到。當(dāng)然這種方式會(huì)不夠精確,但只要在可接受范圍內(nèi)即可。

47、請(qǐng)問端接的方式有哪些?
端接(terminal),也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯(lián)匹配,終端匹配一般為并聯(lián)匹配,方式比較多,有電阻上拉,電阻下拉,戴維南匹配,AC匹配,肖特基二極管匹配。

48、采用端接(匹配)的方式是由什么因素決定的?
匹配采用方式一般由BUFFER特性,拓普情況,電平種類和判決方式來決定,也要考慮信號(hào)占空比,系統(tǒng)功耗等。

49、采用端接(匹配)的方式有什么規(guī)則?
數(shù)字電路最關(guān)鍵的是時(shí)序問題,加匹配的目的是改善信號(hào)質(zhì)量,在判決時(shí)刻得到可以確定的信號(hào)。對(duì)于電平有效信號(hào),在保證建立、保持時(shí)間的前提下,信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定;對(duì)延有效信號(hào),在保證信號(hào)延單調(diào)性前提下,信號(hào)變化延速度滿足要求。Mentor ICX產(chǎn)品教材中有關(guān)于匹配的一些資料。另外《High Speed Digital design a hand book of blackmagic》有一章專門對(duì)terminal的講述,從電磁波原理上講述匹配對(duì)信號(hào)完整性的作用,可供參考。

50、能否利用器件的IBIS模型對(duì)器件的邏輯功能進(jìn)行仿真?如果不能,那么如何進(jìn)行電路的板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真?
IBIS模型是行為級(jí)模型,不能用于功能仿真。功能仿真,需要用SPICE模型,或者其他結(jié)構(gòu)級(jí)模型。

51、在數(shù)字和模擬并存的系統(tǒng)中,有2種處理方法,一個(gè)是數(shù)字地和模擬地分開,比如在地層,數(shù)字地是獨(dú)立地一塊,模擬地獨(dú)立一塊,單點(diǎn)用銅皮或FB磁珠連接,而電源不分開;另一種是模擬電源和數(shù)字電源分開用FB連接,而地是統(tǒng)一地地。請(qǐng)問李先生,這兩種方法效果是否一樣?
應(yīng)該說從原理上講是一樣的。因?yàn)殡娫春偷貙?duì)高頻信號(hào)是等效的。 區(qū)分模擬和數(shù)字部分的目的是為了抗干擾,主要是數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾。但是,分割可能造成信號(hào)回流路徑不完整,影響數(shù)字信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量,影響系統(tǒng)EMC質(zhì)量。因此,無論分割哪個(gè)平面,要看這樣作,信號(hào)回流路徑是否被增大,回流信號(hào)對(duì)正常工作信號(hào)干擾有多大。 現(xiàn)在也有一些混合設(shè)計(jì),不分電源和地,在布局時(shí),按照數(shù)字部分、模擬部分分開布局布線,避免出現(xiàn)跨區(qū)信號(hào)。
 
52、安規(guī)問題:FCC、EMC的具體含義是什么?
FCC: federal communication commission 美國(guó)通信委員會(huì)
EMC: electro megnetic compatibility 電磁兼容
FCC是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織,EMC是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒布都有相應(yīng)的原因,標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法。

53、何謂差分布線?
差分信號(hào),有些也稱差動(dòng)信號(hào),用兩根完全一樣,極性相反的信號(hào)傳輸一路數(shù)據(jù),依靠?jī)筛盘?hào)電平差進(jìn)行判決。為了保證兩根信號(hào)完全一致,在布線時(shí)要保持并行,線寬、線間距保持不變。

54、PCB仿真軟件有哪些?
仿真的種類很多,高速數(shù)字電路信號(hào)完整性分析仿真分析(SI)常用軟件有icx,signalvision,hyperlynx,XTK,speectraquest等。有些也用Hspice。
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55、PCB仿真軟件是如何進(jìn)行LAYOUT仿真的?
高速數(shù)字電路中,為了提高信號(hào)質(zhì)量,降低布線難度,一般采用多層板,分配專門的電源層,地層。

56、在布局、布線中如何處理才能保證50M以上信號(hào)的穩(wěn)定性
高速數(shù)字信號(hào)布線,關(guān)鍵是減小傳輸線對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。因此,100M以上的高速信號(hào)布局時(shí)要求信號(hào)走線盡量短。
數(shù)字電路中,高速信號(hào)是用信號(hào)上升延時(shí)間來界定的。而且,不同種類的信號(hào)(如TTL,GTL,LVTTL),確保信號(hào)質(zhì)量的方法不一樣。

57、室外單元的射頻部分,中頻部分,乃至對(duì)室外單元進(jìn)行監(jiān)控的低頻電路部分往往采用部署在同一PCB上,請(qǐng)問對(duì)這樣的PCB在材質(zhì)上有何要求?如何防止射頻,中頻乃至低頻電路互相之間的干擾?
混合電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的問題。很難有一個(gè)完美的解決方案。 一般射頻電路在系統(tǒng)中都作為一個(gè)獨(dú)立的單板進(jìn)行布局布線,甚至?xí)袑iT的屏蔽腔體。而且射頻電路一般為單面或雙面板,電路較為簡(jiǎn)單,所有這些都是為了減少對(duì)射頻電路分布參數(shù)的影響,提高射頻系統(tǒng)的一致性。相對(duì)于一般的FR4材質(zhì),射頻電路板傾向與采用高Q值的基材,這種材料的介電常數(shù)比較小,傳輸線分布電容較小,阻抗高,信號(hào)傳輸時(shí)延小。 在混合電路設(shè)計(jì)中,雖然射頻,數(shù)字電路做在同一塊PCB上,但一般都分成射頻電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū),分別布局布線。之間用接地過孔帶和屏蔽盒屏蔽。

58、對(duì)于射頻部分,中頻部分和低頻電路部分部署在同一PCB上,mentor有什么解決方案
Mentor的板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,除了基本的電路設(shè)計(jì)功能外,還有專門的RF設(shè)計(jì)模塊。在RF原理圖設(shè)計(jì)模塊中,提供參數(shù)化的器件模型,并且提供和EESOFT等射頻電路分析仿真工具的雙向接口;在RF LAYOUT模塊中,提供專門用于射頻電路布局布線的圖案編輯功能,也有和EESOFT等射頻電路分析仿真工具的雙向接口,對(duì)于分析仿真后的結(jié)果可以反標(biāo)回原理圖和PCB。同時(shí),利用Mentor軟件的設(shè)計(jì)管理功能,可以方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)用,設(shè)計(jì)派生,和協(xié)同設(shè)計(jì)。大大加速混合電路設(shè)計(jì)進(jìn)程。 手機(jī)板是典型的混合電路設(shè)計(jì),很多大型手機(jī)設(shè)計(jì)制造商都利用Mentor加安杰倫的eesoft作為設(shè)計(jì)平臺(tái)。

59、mentor的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如何?
Mentor Graphics的PCB工具有WG(原veribest)系列和Enterprise(boardstation)系列。

60、Mentor的PCB設(shè)計(jì)軟件對(duì)差分線隊(duì)的處理又如何?
Mentor軟件在定義好差分對(duì)屬性后,兩根差分對(duì)可以一起走線,嚴(yán)格保證差分對(duì)線寬,間距和長(zhǎng)度差,遇到障礙可以自動(dòng)分開,在換層時(shí)可以選擇過孔方式。

61、在一塊12層PCb板上,有三個(gè)電源層2.2v,3.3v,5v,將三個(gè)電源各作在一層,地線該如何處理?

一般說來,三個(gè)電源分別做在三層,對(duì)信號(hào)質(zhì)量比較好。因?yàn)椴淮罂赡艹霈F(xiàn)信號(hào)跨平面層分割現(xiàn)象。跨分割是影響信號(hào)質(zhì)量很關(guān)鍵的一個(gè)因素,而仿真軟件一般都忽略了它。對(duì)于電源層和地層,對(duì)高頻信號(hào)來說都是等效的。在實(shí)際中,除了考慮信號(hào)質(zhì)量外,電源平面耦合(利用相鄰地平面降低電源平面交流阻抗),層疊對(duì)稱,都是需要考慮的因素。
 
62、PCB在出廠時(shí)如何檢查是否達(dá)到了設(shè)計(jì)工藝要求?
很多PCB廠家在PCB加工完成出廠前,都要經(jīng)過加電的網(wǎng)絡(luò)通斷測(cè)試,以確保所有聯(lián)線正確。同時(shí),越來越多的廠家也采用x光測(cè)試,檢查蝕刻或?qū)訅簳r(shí)的一些故障。對(duì)于貼片加工后的成品板,一般采用ICT測(cè)試檢查,這需要在PCB設(shè)計(jì)時(shí)添加ICT測(cè)試點(diǎn)。如果出現(xiàn)問題,也可以通過一種特殊的X光檢查設(shè)備排除是否加工原因造成故障。

63、“機(jī)構(gòu)的防護(hù)”是不是機(jī)殼的防護(hù)?
是的。機(jī)殼要盡量嚴(yán)密,少用或不用導(dǎo)電材料,盡可能接地。
 
64、在芯片選擇的時(shí)候是否也需要考慮芯片本身的esd問題?
不論是雙層板還是多層板,都應(yīng)盡量增大地的面積。在選擇芯片時(shí)要考慮芯片本身的ESD特性,這些在芯片說明中一般都有提到,而且即使不同廠家的同一種芯片性能也會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)時(shí)多加注意,考慮的全面一點(diǎn),做出電路板的性能也會(huì)得到一定的保證。但ESD的問題仍然可能出現(xiàn),因此機(jī)構(gòu)的防護(hù)對(duì)ESD的防護(hù)也是相當(dāng)重要的。
 
65、在做pcb板的時(shí)候,為了減小干擾,地線是否應(yīng)該構(gòu)成閉和形式?
在做PCB板的時(shí)候,一般來講都要減小回路面積,以便減少干擾,布地線的時(shí)候,也不 應(yīng)布成閉合形式,而是布成樹枝狀較好,還有就是要盡可能增大地的面積。
 
66、如果仿真器用一個(gè)電源,pcb板用一個(gè)電源,這兩個(gè)電源的地是否應(yīng)該連在一起?
如果可以采用分離電源當(dāng)然較好,因?yàn)槿绱穗娫撮g不易產(chǎn)生干擾,但大部分設(shè)備是有具體要求的。既然仿真器和PCB板用的是兩個(gè)電源,按我的想法是不該將其共地的。
 
67、一個(gè)電路由幾塊pcb板構(gòu)成,他們是否應(yīng)該共地?
一個(gè)電路由幾塊PCB構(gòu)成,多半是要求共地的,因?yàn)樵谝粋€(gè)電路中用幾個(gè)電源畢竟是不太實(shí)際的。但如果你有具體的條件,可以用不同電源當(dāng)然干擾會(huì)小些。
 
68、設(shè)計(jì)一個(gè)手持產(chǎn)品,帶LCD,外殼為金屬。測(cè)試ESD時(shí),無法通過ICE-1000-4-2的測(cè)試,CONTACT只能通過1100V,AIR可以通過6000V。ESD耦合測(cè)試時(shí),水平只能可以通過3000V,垂直可以通過4000V測(cè)試。CPU主頻為33MHZ。有什么方法可以通過ESD測(cè)試?
手持產(chǎn)品又是金屬外殼,ESD的問題一定比較明顯,LCD也恐怕會(huì)出現(xiàn)較多的不良現(xiàn)象。如果沒辦法改變現(xiàn)有的金屬材質(zhì),則建議在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加上防電材料,加強(qiáng)PCB的地,同時(shí)想辦法讓LCD接地。當(dāng)然,如何操作要看具體情況。
 
69、設(shè)計(jì)一個(gè)含有DSP,PLD的系統(tǒng),該從那些方面考慮ESD?
就一般的系統(tǒng)來講,主要應(yīng)考慮人體直接接觸的部分,在電路上以及機(jī)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)。至于ESD會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成多大的影響,那還要依不同情況而定。干燥的環(huán)境下,ESD現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重,較敏感精細(xì)的系統(tǒng),ESD的影響也會(huì)相對(duì)明顯。雖然大的系統(tǒng)有時(shí)ESD影響并不明顯,但設(shè)計(jì)時(shí)還是要多加注意,盡量防患于未然。
 
70、PCB設(shè)計(jì)中,如何避免串?dāng)_?
變化的信號(hào)(例如階躍信號(hào))沿傳輸線由A到B傳播,傳輸線C-D上會(huì)產(chǎn)生耦合信號(hào),變化的信號(hào)一旦結(jié)束也就是信號(hào)恢復(fù)到穩(wěn)定的直流電平時(shí),耦合信號(hào)也就不存在了,因此串?dāng)_僅發(fā)生在信號(hào)跳變的過程當(dāng)中,并且信號(hào)沿的變化(轉(zhuǎn)換率)越快,產(chǎn)生的串?dāng)_也就越大??臻g中耦合的電磁場(chǎng)可以提取為無數(shù)耦合電容和耦合電感的集合,其中由耦合電容產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在受害網(wǎng)絡(luò)上可以分成前向串?dāng)_和反向串?dāng)_Sc,這個(gè)兩個(gè)信號(hào)極性相同;由耦合電感產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)也分成前向串?dāng)_和反向串?dāng)_SL,這兩個(gè)信號(hào)極性相反。耦合電感電容產(chǎn)生的前向串?dāng)_和反向串?dāng)_同時(shí)存在,并且大小幾乎相等,這樣,在受害網(wǎng)絡(luò)上的前向串?dāng)_信號(hào)由于極性相反,相互抵消,反向串?dāng)_極性相同,疊加增強(qiáng)。串?dāng)_分析的模式通常包括默認(rèn)模式,三態(tài)模式和最壞情況模式分析。默認(rèn)模式類似我們實(shí)際對(duì)串?dāng)_測(cè)試的方式,即侵害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器由翻轉(zhuǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng),受害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器保持初始狀態(tài)(高電平或低電平),然后計(jì)算串?dāng)_值。這種方式對(duì)于單向信號(hào)的串?dāng)_分析比較有效。三態(tài)模式是指侵害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器由翻轉(zhuǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng),受害的網(wǎng)絡(luò)的三態(tài)終端置為高阻狀態(tài),來檢測(cè)串?dāng)_大小。這種方式對(duì)雙向或復(fù)雜拓樸網(wǎng)絡(luò)比較有效。最壞情況分析是指將受害網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)器保持初始狀態(tài),仿真器計(jì)算所有默認(rèn)侵害網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)受害網(wǎng)絡(luò)的串?dāng)_的總和。這種方式一般只對(duì)個(gè)別關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,因?yàn)橐?jì)算的組合太多,仿真速度比較慢。

未完待續(xù),敬請(qǐng)關(guān)注(下篇)。
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