高速数字设计-第5章地平面和叠层.ppt

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1、第5章地平面和叠层在高速数字系统中，完整的地层和电源层可实现的三个功能：1)为数字信号的转换提供稳定的参考电压2)为所有的逻辑器件分配电源3)控制信号之间的串扰高速数字设计李建平2012/09/03第1-6节讲，假设走线比较短的情况下，采用集总参数来分析互感第7节讲，假设走线较长的情况下，分析近端串扰和远端串扰第8节讲，PCB板如何叠层本章重点讲信号串扰，一共分为8节，其中：5.1高速信号电流在最小电感路径流动低速电路高速电路在低速电路中，电流是沿着最小电阻路径前进，输出电流从A传输到B，返回电流是沿着地平面返回到A，输出电流与返回电

2、流路径的回路面积很大，这时串扰也会很大。在高速电路中，电流是沿着最小电感路径前进，输出电流从A传输到B，返回电流是紧贴着传输导线下面再返回到A，输出电流与返回电流路径的回路面积最小，串扰也最小。这就是低速电路和高速电路电流走向路径的区别。高速电路走线下面电流密度的分布本节要点：1、高速电流在最小感应系数的路径中流动2、电流密度随着与走线中心的垂直距离的增加，而成平方的衰减公式：5.1图5.3高速信号走线的截面图I0：总的信号电流第2-5节讲了四种模型，在两个导体之间的串扰取决于它们之间的互感和互容，通常在数字电路中，电感串扰等于或大于

3、电容串扰，因此我们在这里主要讨论一下电感串扰5.2完整地平面的串扰我们根据图5.4中的串扰公式得出，将两条走线相互移开时，相互的感性串扰也应逐渐减少（K这里是常数，通常小于1，这里取1）图5.4两条走线串扰的截面图本节要点：相邻走线产生的串扰随着走线中心的垂直距离的增加而成平方下降。联系实际：容易产生串扰的重要信号线，尽可能的将距离拉远。5.3开槽地平面的串扰在一个完整的地平面上走一根信号线，这样就出现地槽。如果走线垂直经过地槽，那么会对走线增加感应系数，也增加串扰，所以这种做法是不允许的开槽地平面的串扰在左图中，A点的返回电流不能直

4、接从A-B下面走，它要绕过地槽的周围，返回电流形成了一个很大的环路，动态地增加A-B信号路径的电感，增大了串扰。地槽举例地槽地槽破坏了地的完整性，使信号的返回电流必须绕过地槽周围回到源端，是不允许出现的在实际Layout中也会产生的地槽本节要点：1、地平面开槽会产生不必要的电感2、开槽电感会产生互感串扰连接器焊盘孔地过孔2层板上的电源和地的栅格5.4平行交叉地平面的串扰所谓电源和地平行交叉设计：电源和地分别从PCB的顶层和底层，以正交方式引出。在电源和地交叉处放置去耦电容，电容的两端分别接电源和地，可以节约PCB板面积，但是增加了互感

5、这种设计只适合于低速的CMOS和TTL电路，但对高速逻辑电路不能提供合适的地平面本节要点：如果必须使用两层板，作者推荐使用电源和地的平行交叉设计。指状电源和地线的布局5.5指状电源和地线的串扰指状电源和地线的布局技术只适用于在非常低速的小逻辑电路中，在高速电路中，作者建议不要使用这种布线方式。指状电源和地线的布局含义？因为它这种布线不只是影响功能问题，从电路中辐射出的电磁波肯定通不过FCC的测试试验。本节要点：对于高速逻辑信号，避免采用指状布局5.6保护走线举例说明保护走线的作用：在一个2层板的音频电路中，没有一个完整的地平面，如果在

6、一个敏感的输入电路两边并行走一对接地的线，这时可以减少一个数量级的串扰。根据作者经验，如果在两条微带线之间插入接地的第三条线，两条微带线之间的耦合（串扰）会减少一半，再如果第三条线通过很多过孔接到地平面，它们的耦合（串扰）还将再减半。在数字电路中，如果两条走线之间的距离足够允许放一根保护走线，那么耦合（串扰）通常已经很低了，所以这条保护走线也没必要了。举例：（左图）多大的串扰范围能接受呢？相近的线路之间的串扰电平在1﹪-3﹪可以的一个保护走线的典型应用A-B之间，C两端开路，串扰最大A-C之间，B两端开路，串扰中间A-C之间，B两端接

7、地，串扰最小本节要点：两条走线之间加入一条接地的保护走线，可以减少串扰到最小驱动器沿着走线A传输一个已知的电压阶跃，在走线B或走线C上，会接收到由这一信号引起的串扰保护走线的实例典型串扰例子重点讲互感耦合，讲到互感耦合，可以用个图来说明(左图)：线路A-B上传输的信号磁场会在C-D上感应出电压，根据互感作用类似于一个变压器，加上互感是分布式的，所以看上去就像一连串的小变压器连接在两线之间，随着一个电压阶跃从A移到B，在每个耦合变压器上，一个干扰尖脉冲会出现在相邻的线上，每个尖脉冲也会沿着线路C到D的前向和反向传播。5.7近端和远端串扰

8、分析两条长的传输线之间的耦合，其耦合包括互感和互容耦合反向耦合（正尖脉冲）前向耦合（负尖脉冲）第1-6节讲，走线比较短的情况下，来分析互感的情况4个变压器互感耦合的反射示意图负的(前向)尖脉冲全部同时到达远端。正的(反向