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          高速高密度電路設(shè)計串?dāng)_分析

          作者: 時間:2011-12-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          其中,Z0,C,l,Cm,Lm,L,V0分別為傳輸線的特征阻抗、單位長度電容、單位長度電感,兩傳輸線之間耦合電容、耦合電感,兩傳輸線平行長度和電壓峰值。

          本文引用地址:http://yuyingmama.com.cn/article/190942.htm

            由以上兩式,我們可以看出遠(yuǎn)端串?dāng)_總噪聲由于容性和感性耦合的極性關(guān)系而相互消減,即遠(yuǎn)端串?dāng)_是可以消除的。在PCB布線中,帶狀線(Stripline) 電路更能夠顯示感性和容性耦合之間很好的平衡,其前向耦合能量極小;而對于微帶線(Microstfip),與串?dāng)_相關(guān)的電場大部分穿過的是空氣,而不是其它的絕緣材料,因此容性串?dāng)_比感性串?dāng)_小,導(dǎo)致其前向耦合是一個小的負(fù)數(shù)。這也就是通常設(shè)計中,常忽略遠(yuǎn)端串?dāng)_的干擾,而較著重于近端串?dāng)_改善的原因。

            在實(shí)際設(shè)計中,PCB的有關(guān)參數(shù)(如厚度,介電常數(shù)等)以及線長、線寬、線距、傳輸線與地平面的位置和電流流向都會影響c、l、Cm、Lm、L、的大小,而信號頻率和器件的上升/下降時間決定了 。

            在這里我們不做這些參數(shù)對串?dāng)_影響的定量分析,有關(guān)這些參數(shù)的相互關(guān)系及對串?dāng)_影響的程度,詳見其它相關(guān)參考文獻(xiàn)。

            2.4串?dāng)_的變化趨勢

            互感與互容的大小影響著串?dāng)_的大小,從而等價地改變傳輸線特征阻抗與傳播速度。同樣,傳輸線的幾何形狀在很大程度上影響著互感與互容的變化,因此傳輸線本身的特征阻抗對這些參數(shù)也有影響。在同一介質(zhì)中,相對低阻抗的傳輸線與參考平面(地平面)間的耦合更加強(qiáng)烈,相對地與鄰近傳輸線的耦合就會弱一些,因而低阻抗傳輸線對串?dāng)_引起的阻抗變化更小一些。

            3 串?dāng)_導(dǎo)致的幾種影響

            在高速、高PCB設(shè)計中一般提供一個完整的接地平面,從而使每條信號線基本上只和它最近的信號線相互影響,來自其它較遠(yuǎn)信號線的交叉耦合是可以忽略的。盡管如此,在模擬系統(tǒng)中,大功率信號穿過低電平輸入信號或當(dāng)信號電壓較高的元件(如TTL)與信號電壓較低的元件(如ECL)接近時,都需要非常高的抗串?dāng)_能力。在PCB設(shè)計中,如果不正確處理,串?dāng)_對高速PCB的信號完整性主要有以下兩種典型的影響。

            3.1串?dāng)_引起的誤觸發(fā)

            信號串?dāng)_是高速設(shè)計所面臨的信號完整性問題中一個重要內(nèi)容,由串?dāng)_引起的數(shù)字電路功能錯誤是最常見的一種。

          串?dāng)_脈沖引起的相鄰網(wǎng)絡(luò)錯誤邏輯的傳輸

            圖 4是一種典型的由串?dāng)_脈沖引起的相鄰網(wǎng)絡(luò)錯誤邏輯的傳輸。干擾源網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘柾ㄟ^耦合電容,在被干擾網(wǎng)絡(luò)和接收端引起一個噪聲脈沖,結(jié)果導(dǎo)致一個不希望的脈沖發(fā)送到接受端。如果這個脈沖強(qiáng)度超過了接收端的觸發(fā)值,就會產(chǎn)生無法控制的觸發(fā)脈沖,引起下一級網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能混亂。

            3.2串?dāng)_引起的時序延時

            在數(shù)字設(shè)計中,時序問題是一個重要考慮的問題。圖5顯示了由串?dāng)_噪聲引起的時序問題。圖下半部分是干擾源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的兩種噪聲脈沖(Helpful圖5串?dāng)_噪聲導(dǎo)致的延時glitch和Unhelpful glitch),當(dāng)噪聲脈沖(helpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò),就引起被干擾網(wǎng)絡(luò)信號傳輸延時減少;同樣,當(dāng)噪聲脈沖(Unhelpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò)時,就增加了被干擾網(wǎng)絡(luò)正常傳輸信號的延時。盡管這種減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的串?dāng)_噪聲對改善PCB時序是有幫助的,但在實(shí)際 PCB設(shè)計中,由于干擾源網(wǎng)絡(luò)的不確定性,這種延時是無法控制的,因而對這種串?dāng)_引起的延時必須要加以抑制。

          由串?dāng)_噪聲引起的時序問題

            4.串?dāng)_最小化

            串?dāng)_在高速高的PCB設(shè)計中普遍存在,串?dāng)_對系統(tǒng)的影響一般都是負(fù)面的。為減少串?dāng)_,最基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾網(wǎng)絡(luò)之間的耦合越小越好。在高復(fù)雜PCB設(shè)計中完全避免串?dāng)_是不可能的,但在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計者應(yīng)該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下,選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉砹η蟠當(dāng)_的最小化。結(jié)合上面的分析,解決串?dāng)_問題主要從以下幾個方面考慮:

            在布線條件允許的條件下,盡可能拉大傳輸線間的距離;或者盡可能地減少相鄰傳輸線間的平行長度(累積平行長度),最好是在不同層間走線。

            相鄰兩層的信號層(無平面層隔離)走線方向應(yīng)該垂直,盡量避免平行走線以減少層間的串?dāng)_。

            在確保信號時序的情況下,盡可能選擇轉(zhuǎn)換速度低的器件,使電場與磁場的變化速率變慢,從而降低串?dāng)_。

            在設(shè)計層疊時,在滿足特征阻抗的條件下,應(yīng)使布線層與參考平面(電源或地平面)間的介質(zhì)層盡可能薄,因而加大了傳輸線與參考平面間的耦合度,減少相鄰傳輸線的耦合。

            由于表層只有一個參考平面,表層布線的電場耦合比中間層的要強(qiáng),因而對串?dāng)_較敏感的信號線盡量布在內(nèi)層。

            通過端接,使傳輸線的遠(yuǎn)端和近端終端阻抗與傳輸線匹配,可大大減小串?dāng)_的幅度。

            5.結(jié)束語

            數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)進(jìn)入了一個新的階段。許多過去處于次要地位的高速設(shè)計問題,現(xiàn)在已經(jīng)對于系統(tǒng)性能具有關(guān)鍵的影響。包括串?dāng)_在內(nèi)的信號完整性問題帶來了設(shè)計觀念、設(shè)計流程及設(shè)計方法的變革。面對新的挑戰(zhàn),對于串?dāng)_噪聲而言,最關(guān)鍵的就是找出那些對系統(tǒng)正常運(yùn)行真正有影響的網(wǎng)絡(luò),而不是盲目的對所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串?dāng)_噪聲的抑制,這也是和有限的布線資源相矛盾的。本文所討論的串?dāng)_問題對于高速高密度中解決串?dāng)_問題具有十分重要的意義。


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