在高速設(shè)計(jì)中,可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國(guó)工程師。本文通過簡(jiǎn)單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測(cè)量方法。在高速設(shè)計(jì)中,可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。首先了解一下傳輸線的定義:傳輸線由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成,一個(gè)導(dǎo)體用來發(fā)送信號(hào),另一個(gè)用來接收信號(hào)(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)多層板中,每一條線路都是傳輸線的組成部分,鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值,通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中,傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是,究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí),這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中,如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間),一旦連接,這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播,它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然,這個(gè)信號(hào)確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差,它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”,然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸,這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷,而回路有多余的負(fù)電荷,正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差,而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)0.01納秒中,又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特,這必須加一些正電荷到發(fā)送線路,而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)0.06英寸,必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路,而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒,必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電,然后信號(hào)開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池,當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí),就給傳輸線的連續(xù)部分充電,因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒,就從電池中獲得一些電荷(±Q),恒定的時(shí)間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等,而且正好在信號(hào)波的前端,交流電流通過上、下線路組成的電容,結(jié)束整個(gè)循環(huán)過程。
在PCB(印制電路板)中,印制導(dǎo)線用來實(shí)現(xiàn)電路元件和器件之間電氣連接,是PCB中的重要組件,PCB導(dǎo)線多為銅線,銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗,導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸,而電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸,在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重,因此,在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除印制導(dǎo)線阻抗所帶來的影響。1印制導(dǎo)線產(chǎn)生干擾的原因PCB上的印制導(dǎo)線通電后在直流或交流狀態(tài)下分別對(duì)電流呈現(xiàn)電阻或感抗,而平行導(dǎo)線之間存在電感效應(yīng),電阻效應(yīng),電導(dǎo)效應(yīng),互感效應(yīng);一根導(dǎo)線上的變化電流必然影響另一根導(dǎo)線,從而產(chǎn)生干擾;PCB板外連接導(dǎo)線甚至元器件引線都可能成為發(fā)射或接收干擾信號(hào)的天線。印制導(dǎo)線的直流電阻和交流阻抗可以通過公式和公式來計(jì)算,R=PL/S和XL=2πfL式中L為印制導(dǎo)線長(zhǎng)度(m),s為導(dǎo)線截面積(mm2),ρ為銅的電阻率,TT為常數(shù),f為交流頻率。正是由于這些阻抗的存在,從而產(chǎn)生一定的電位差,這些電位差的存在,必然會(huì)帶來干擾,從而影響電路的正常工作。2 PCB電流與導(dǎo)線寬度的關(guān)系PCB導(dǎo)線寬度與電路電流承載值有關(guān),一般導(dǎo)線越寬,承載電流的能力越強(qiáng)。在實(shí)際的PCB制作過程中,導(dǎo)線寬度應(yīng)以能滿足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜,它的最小值以承受的電流大小而定,導(dǎo)線寬度和間距可取0.3mm(12mil)。導(dǎo)線的寬度在大電流的情況下還要考慮其溫升問題。PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線寬
相信對(duì)做硬件的工程師,畢業(yè)開始進(jìn)公司時(shí),在設(shè)計(jì)PCB時(shí),老工程師都會(huì)對(duì)他說,PCB走線不要走直角,走線一定要短,電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做,就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦,當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題,今后又犯了,可能又會(huì)被他們罵,“都說了多少遍了電容一定要就近擺放,放遠(yuǎn)了起不到效果等等”,往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙,我們一開始不會(huì)也不用難過,多看看資料很快就能掌握的。直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料,為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢,等看了資料后就能了解一些,可是網(wǎng)上的資料很雜散,很少能找到一個(gè)很全方面講解的。下面這些內(nèi)容是我轉(zhuǎn)載的一篇關(guān)于電容去耦半徑的講解,相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。老師問: 為什么去耦電容就近擺放呢?學(xué)生答: 因?yàn)樗杏行О霃脚叮诺倪h(yuǎn)了失效的。電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片,多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個(gè)擺放距離問題。確實(shí),減小電感是一個(gè)重要原因,但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及,那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn),超出了它的去耦半徑,電容將失去它的去耦的作用。理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí),會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng),電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓),就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間,因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣,電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。
這里主要是說了從PCB設(shè)計(jì)封裝來解析選擇元件的技巧。元件的封裝包含很多信息,包含元件的尺寸,特別是引腳的相對(duì)位置關(guān)系,還有元件的焊盤類型。當(dāng)然我們根據(jù)元件封裝選擇元件時(shí)還有一個(gè)要注意的地方是要考慮元件的外形尺寸。引腳位置關(guān)系:主要是指我們需要將實(shí)際的元件的引腳和PCB元件的封裝的尺寸對(duì)應(yīng)起來。我們選擇不同的元件,雖然功能相同,但是元件的封裝很可能不一樣。我們需要保證PCB焊盤尺寸位置正確才能保證元件能正確焊接。焊盤的選擇:這個(gè)是我們需要考慮的比較多的地方。首先包括焊盤的類型。其類型包括兩種,一是電鍍通孔,一種是表貼類型。我們需要考慮的因素有器件成本、可用性、器件面積密度和功耗等因數(shù)。從制造角度看,表貼器件通常要比通孔器件便宜,而且一般可用性較高。對(duì)于我們一般設(shè)計(jì)來說,我們選擇表貼元件,不僅方便手工焊接,而且有利于查錯(cuò)和調(diào)試過程中更好的連接焊盤和信號(hào)。其次我們還應(yīng)該注意焊盤的位置。因?yàn)椴煌奈恢茫痛碓?shí)際當(dāng)中不同的位置。我們?nèi)绻缓侠戆才藕副P的位置,很有可能就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)區(qū)域元件過密,而另外一個(gè)區(qū)域元件很稀疏的情況,當(dāng)然情況更糟糕的是由于焊盤位置過近,導(dǎo)致元件之間空隙過小而無法焊接,下面就是我失敗的一個(gè)例子,我在一個(gè)光耦開關(guān)旁邊開了通孔,但是由于它們的位置過近,導(dǎo)致光耦開關(guān)焊接上去以后,通孔無法再放置螺絲了。
1. 如果是人工焊接,要養(yǎng)成好的習(xí)慣,首先,焊接前要目視檢查一遍PCB板,并用萬(wàn)用表檢查關(guān)鍵電路(特別是電源與地)是否短路;其次,每次焊接完一個(gè)芯片就用萬(wàn)用表測(cè)一下電源和地是否短路;此外,焊接時(shí)不要亂甩烙鐵,如果把焊錫甩到芯片的焊腳上(特別是表貼元件),就不容易查到。2. 在計(jì)算機(jī)上打開PCB圖,點(diǎn)亮短路的網(wǎng)絡(luò),看什么地方離的最近,最容易被連到一塊。特別要注意IC內(nèi)部短路。3. 發(fā)現(xiàn)有短路現(xiàn)象。拿一塊板來割線(特別適合單/雙層板),割線后將每部分功能塊分別通電,一部分一部分排除。4. 使用短路定位分析儀,如:新加坡PROTEQ CB2000短路追蹤儀,香港靈智科技QT50短路追蹤儀,英國(guó)POLAR ToneOhm950多層板路短路探測(cè)儀等等。5. 如果有BGA芯片,由于所有焊點(diǎn)被芯片覆蓋看不見,而且又是多層板(4層以上),因此最好在設(shè)計(jì)時(shí)將每個(gè)芯片的電源分割開,用磁珠或0歐電阻連接,這樣出現(xiàn)電源與地短路時(shí),斷開磁珠檢測(cè),很容易定位到某一芯片。由于BGA的焊接難度大,如果不是機(jī)器自動(dòng)焊接,稍不注意就會(huì)把相鄰的電源與地兩個(gè)焊球短路。
山東開發(fā)PCB抄板設(shè)計(jì)一、PCB沉金采用的是化學(xué)沉積的方法,通過化學(xué)氧化還原反應(yīng)的方法生成一層鍍層,一般厚度較厚,開發(fā)PCB抄板設(shè)計(jì)是化學(xué)鎳金金層沉積方法的一種,可以達(dá)到較厚的金層。二、PCB鍍金采用的是電解的原理,也叫電鍍方式。其他金屬表面處理也多數(shù)采用的是電鍍方式。在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中,90%的金板是沉金板,因?yàn)殄兘鸢搴附有圆钍撬闹旅秉c(diǎn),也是導(dǎo)致很多公司放棄鍍金工藝的直接原因!沉金工藝在印制線路表面上沉積顏色穩(wěn)定,光亮度好,鍍層平整,可焊性良好的鎳金鍍層?;究煞譃樗膫€(gè)階段:前處理(除油,微蝕,活化、后浸),沉鎳,沉金,后處理(廢金水洗,DI水洗,烘干)。沉金厚度在0.025-0.1um間。金應(yīng)用于電路板表面處理,因?yàn)榻鸬膶?dǎo)電性強(qiáng),抗氧化性好,壽命長(zhǎng),而鍍金板與沉金板最根本的區(qū)別在于,鍍金是硬金(耐磨),沉金是軟金(不耐磨)。1、沉金與鍍金所形成的晶體結(jié)構(gòu)不一樣,沉金對(duì)于金的厚度比鍍金要厚很多,沉金會(huì)呈金黃色,較鍍金來說更黃(這是區(qū)分鍍金和沉金的方法之一),鍍金的會(huì)稍微發(fā)白(鎳的顏色)。2、沉金與鍍金所形成的晶體結(jié)構(gòu)不一樣,沉金相對(duì)鍍金來說更容易焊接,不會(huì)造成焊接不良。沉金板的應(yīng)力更易控制,對(duì)有邦定的產(chǎn)品而言,更有利于邦定的加工。同時(shí)也正因?yàn)槌两鸨儒兘疖?,所以沉金板做金手指不耐?沉金板的缺點(diǎn))。3、PCB沉金板只有焊盤上有鎳金,趨膚效應(yīng)中信號(hào)的傳輸是在銅層不會(huì)對(duì)信號(hào)有影響。4、沉金較鍍金來說晶體結(jié)構(gòu)更致密,不易產(chǎn)成氧化。5、隨著電路板加工精度要求越來越高,線寬、間距已經(jīng)到了0.1mm以下。鍍金則容易產(chǎn)生金絲短路。沉金板只有焊盤上有鎳金,所以不容易產(chǎn)成金絲短路。