高速pcb毕业设计

电子工程系毕业论文1题目:高速PCB设计技术的研究专业:应用电子技术班级:电子3062作者:指导教师:摘要在本文中，我主要学习了高速PCB的设计，本文介绍了高速PCB设计方面的有关研究。随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ，有的甚至超过100MHZ。目前约50%的设计的时钟频率超过50MHz，将近20%的设计主频超过120MHz。当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说１／３），就称为高速电路。如今，许多系统设计中最重要的因素就是速度问题。66MHz到200MHz处理器是很普通的；233-266MHz的处理器也变得轻易就可得到。对于高速度的要求主要来自：a)要求系统在令用户感到舒适的、很短时间内就能完成复杂的任务。b)元件供应商有能力提供高度速的设备。设计高速系统并不仅仅需要高速元件，更需要天才和仔细的设计方案。设备模拟方面的重要性与数字方面是一样的。在高速系统中，噪声问题是一个最基本的考虑。高频会产生辐射进而产生干扰。边缘极值的速度可以产生振铃，反射以及串扰。如果不加抑制的话，这些噪声会严重损害系统的性能。电子工程系毕业论文2目录摘要……………………………………………………………………11.电源的设计…………………………………………………………41.1电源分配网络作为动力源……………………………………………41.1.1阻抗的作用………………………………………………………41.1.2电源总线法和电源位面法…………………………………………41.1.3线路噪声过滤……………………………………………………51.2电源分配网络作为信号回路…………………………………………71.2.1自然的信号返回线路……………………………………………72.传输信号线…………………………………………………………82.1传输线分类………………………………………………………92.2传输线布局法则……………………………………………………92.2.1避免断点………………………………………………………92.2.2不要使用抽头和锥形柄……………………………………………103.高频电路中的信号反射及完整性………………………………113.1信号完整性概述……………………………………………………113.2信号反射噪声的形成………………………………………………113.3端接匹配技术………………………………………………………123.3.1并联端接………………………………………………………123.3.2串联端接………………………………………………………124.电磁兼容性及解决方案……………………………………………13电子工程系毕业论文34.1电磁干扰…………………………………………………………134.1.1环路…………………………………………………………134.1.2过滤…………………………………………………………145.蛇形走线的作用……………………………………………………156.PCB设计中格点的设置……………………………………………167.射频电路的设计……………………………………………………177.1板材的选择…………………………………………………………177.2元器件的布局………………………………………………………177.3布线………………………………………………………………188.如何做好PCB板……………………………………………………198.1要明确设计目标……………………………………………………198.2了解所用元器件的功能对布局布线的要求………………………………208.3元器件布局的考虑……………………………………………………208.4PCB板的布线技术……………………………………………………21致谢……………………………………………………………………23参考文献………………………………………………………………24电子工程系毕业论文41.电源的设计1.1电源分配网络作为动力源1.1.1阻抗的作用让我们考虑一块5X5的板子，数字ICs，并有一个＋5.0V的电源。我们的目的是给位于板子上每一个设备管脚提供正好是＋5V的电压，不管这些设备管脚在板子上与电源的距离如何。再进一步，每个管脚上的电压应该是没有线噪声（Linenoise）的。具有这些性质的电源表现为一个理想电压源（图1-1a），它的阻抗为零。零阻抗可以保证负载与电压源恰好相等。它还意味着噪音信号将被吸收，因为噪音发生器有最小阻抗的极限。但是，这只是个理想条件。图1b画出的是一个真正的电源，它有一定的以电阻，电感或者电容形式存在的阻抗。它们分布在整个电源分配系统中。因为有了阻抗，噪音信号也加入了电压中。图1-1电源模型我们的设计目的是尽可能减小网络中的阻抗。有两种方法：电源总线法（powerbuses）和电源位面法(powerplanes)。一般来说，电源位面法较之电源总线法有着比较好的阻抗特征，不过，就实用性来说，总线法更好一些。1.1.2电源总线法和电源位面法图1-2电源总线法和位面法模型两种电源分配方案分别用下图2的a和b表示电子工程系毕业论文5一个总线系统（图1-2a）是由一组根据系统设备要求不同而具有不同电压级别的线路组成的。从逻辑上讲，典型的应该是+5V和地线。每种电压级别所需的线路数目根据系统的不同而不同。一个电源位面系统（图1-2b）是由多个涂满金属的层（或者层的部分）组成的。每个不同电压级别需要一个单独的层。金属层上面唯一的缝隙，是为了布置管脚和信号过孔用的。早期设计更倾向于总线方法，因为把整个层用作电源分配，成本比较高。电源总线与信号线分享那些层。总线需要给所有的设备提供电源，而且还要给信号线留出空间；于是，总线必须是很长很窄的带子。这使得在较小的交叉范围内产生一些小阻抗。尽管这些阻抗很小，但是仍然很重要。一块最简单的板子也会有20到30个IC。如果一个带有20个IC的板子上，每个设备有200mA，那么总电流将为4A。那么总线上1.125欧姆的小阻抗将会造成0.5V的电压损失。如果供应的总电压是5V的话，那么总线上最后一个设备仅能得到4.5V的电压。因为电源位面系统使用的是整个层，那么它的唯一限制就是板子的尺寸问题。带有同样多设备的系统，电源位面上的阻抗只是总线系统上的阻抗的一个零头。因此，电源位面系统似乎比总线系统更可能为整个系统提供全电压。在总线上，电流被限制在总线的路线上。每个高速设备产生的线路噪声都将被带入这条线路中其他的设备。如图1-2a的板子，噪声由U9产生，经总线带给U7。电源位面系统中，电流不受线路控制，分布在整个层上。由于整体阻抗小，电源位面系统比总线系统的噪声更小。1.1.3线路噪声过滤电子工程系毕业论文6仅仅电源位面系统无法减小线路噪声。由于不论使用怎样的电源分配方案，整个系统都会产生足够导致问题发生的噪声，额外的过滤措施是必需的。这一任务由旁路电容完成。一般来说，一个1uf-10uf的电容将被放在系统的电源接入端，板上每个设备的电源脚与地线脚之间应放置一个0.01uf-0.1uf的电容。旁路电容就是过滤器。放在电源接入端的大电容（约10uf）用来过滤板子产生的低频（比如60hz线路频率）。板上工作中的设备产生的噪声会产生从100mhz到更高频率间的合共振（harmonics）。每个芯片间都要放置旁路电容，这些电容比较小，大约0.1u左右。由于我们的目的是过滤掉电源供应中的AC成分，所以电容似乎越大越好，最大限度的减小了阻抗。但是，这样想没有考虑到现实条件的电容并不具有理想条件下的那些特性。理想条件下的电容，如图1-3a，实际的电容则如图1-3b。图1-3电容模型电阻和电感是由组成电容的金属板和石墨板造成的。由于它们寄生于电容，于是被称为等级电阻（ESR）和等级电感(ESL)，因此电容是一系列共鸣的电路，因为：由图1-4a看出，在小于FR的时候，它是电容性的，而大于FR的时候，它是电感性的。电子工程系毕业论文7图1-4频率于电容阻抗的关系因此，电容器更像一个针对一个带宽的过滤器（band-rejectfilter），而不是一个高频过滤器（high-frequency-rejectfilter.）。举个例子来说，一个10u的用作板电源连接的电容通常是由一卷用绝缘材料隔开的金属箔组成。这样造成了很大的ESL和ESR。由于ESL很大，FR一般在1MHz以下。它们是良好的对付60赫兹噪声的过滤器，但是对于100MHZ及更高频率的跳变噪声就不太理想了。a）电容阻抗与频率的关系b）在同等结构之下减小电容容量的效果1.2电源分配网络作为信号回路电源网络一个令人吃惊的功能就是它可以为系统所有的信号提供一个回路，无论信号是否在板内产生。这样的设计可以削弱很多高速噪声问题的产生。1.2.1自然的信号返回线路高速系统设计最重要的部分之一就是在信号跳变时产生的能量。每次信号跳变时都会产生AC电流。电流需要一个闭合回路。如图1-5a，1-5b所示，回路可以由VCC提供或者地线提供。回路由图5c表示。图1-5电流闭合回路的几个方法电子工程系毕业论文8PCB板上信号电流回路：a)通过Vccb)通过地c)等效AC路径2.传输信号线控制信号线与AC地之间的关系应该利用“信号总是取道阻抗最小的路线”这一特性。另一个特性是一条信号线上的阻抗是一个常量。这样的信号线被称作“可控阻抗线”，它是板上信号传输的最佳媒质。但是，如果信号延迟大于传输时间的一多半，信号线应被看作一条传输线。一条终接负载不合适的传输线受到反射的影响，反射则会使得信号变形。传输线负载端的信号很像振铃（图2-1），使得系统速度下降。它还会导致时钟错误，损坏系统功能。图2-1传输线负载不匹配时的反射信号电子工程系毕业论文92.1传输线分类因为我们讨论的主要是印刷电路板，可能的信号线种类可以归于两大类：带状线(strpeline)微波传输线（microstrip）(图2-2)。带状线的信号线夹在两层电源平面之间。这样的设计技术可以得到最干净的信号，因为信号线的两面都受到保护。但是，这样的线是隐藏的，想轻易接触到信号线非常困难。微波信号线则将信号线放在朝外的平面层上。信号线的一端是地线平面。这样的设计技术使得接触信号线变得容易。图2-2带状线与微带线地结构2.2传输线布局法则可控阻抗信号线是板上信号传输最实际也最优的媒质，选择合适的终端保证无噪声的运行。但是，如果信号线布局不合理，仍然可能产生噪声。下面的法则可以提高板子的性能。2.2.1避免断点断点是信号线上阻抗突然改变的点；它们会造成反射。适用于线的终端的计算KP公式在这里也同样适用。由于它们产生反射，所以需要避免断点产生。断点可能发生在板子上线路尖锐的拐点处。在线路拐点处，交叉地带增加，Z0减小。如图8那样切开线路有可能弥补拐点的缺点。应该选择所得斜边等于原来线路宽度的切线。这样使得交叉区域的三角区最小，断点也最小。用两条45度角的拐点应用了这个理论，是平滑拐点的一般办法。光滑的圆弧是最理电子工程系毕业论文10想的解决方案，但是用一般的工具很难实现。图2-3减少断点a)直角布线会引起断点b)边缘修饰c)45度拐角布线d)理想的弧形布线过孔（via）将信号输送到板子的另一侧。板间的垂直金属部分难是不可控阻抗，这样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。这会增大反射。还有，从水平方向变为垂直方向的90度的拐点是一个断点，会产生反射。如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。注意，从一个外部层变为内部层（