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布线技巧与EMC相关技术文章阻抗不匹配

阻抗不匹配

分布电路高速电路因操作频率的升高,波长相对变短。当波长与线路的长度接近到相近的数量级之内时,我们开始必须把信号当成电磁波的波动来看。如传输线原理,在信号上升(下降)缘的变化时间内,信号若未能传至彼端再反射回来,则需考虑电磁波的效应。以Pentium II频率产生器的例子而言,它的上升时间约1ns,在6.98 inch。因此当线长超过3.49 inch时,不以传输线的角度来看待这条频率信号线是不行的。信号的输出阻抗为ZG,负载为ZL,传输线特性组特性阻抗(Intrinsic Impedance)为Z0,则ZG=Z0=ZL便是阻抗匹配。以负载端而言,当Z0=ZL,所有传输在线的能量与信号会完完全全的送至负载端;若不然,便会有部份的能量反射回输出端。

阻抗的计算在高频的情况下,电阻(R)与电导(G)的因素可被忽略,举例来说,一般的印而电路板,电感为500nH/m,电容为100pF/m,此时Z0=√500nH/100pF=70.7 ohm。

电流开关噪声现代的芯片所耗的电流都十分惊人,因此在内部的功能或信号的开关之间,常引起电源的不稳定。而这种不稳定的问题,可分做两方面来谈:A. 因为开关的速度太快,使得在远方的电流供应器无法及时供给适当的能量。此时解决之道是在芯片旁边摆上电容来供应及时电流。B. 因为芯片的电源或接地接脚有电感存在,因此在电流突然变化时,在接脚上将有压差在。在多条数据线从1变为0时,芯片组的接地脚上瞬间流过大量电流而造成的电位差。此时芯片组接地已不是0伏,而造成信号上出现隆起小丘的现象,称为触地反弹(Groundbounce)。其解决方式,是减少接脚的电感,如选择BGA这种接脚极短的包装;并在接地处多用几个贯穿孔连接到地,以并联减少电感。

电容摆设位置以频率产生器的例子而言,其上升缘时间为1ns,此段时间内信号行进距离为5.43 inch。要能及时供应电源,一个大约的估算公式是L/12,亦即0.45 inch,或1.15 cm内的电容才能完全发挥作用。超过这个距离,则效用将会减弱。例如,距离成为两倍的2.3cm,电容的作用将只剩1/8。

隔线干扰(Cross Talk)有些讯号,尤其是固定周期讯号的频率讯号(clock),带有强烈的高频成分。当它与其它的讯号线太靠近时,会将这些已达RF频率的能量传到其它的讯号上,带来EMI的困扰。尤其若是被感染的讯号线接往I/O的连接头时,这个问题就更加严重。隔线干扰对EMI而言,通常要求信号线对中心对信号线中心的距离,维持3倍信号线宽度的距离,称为3W法则。3W法则可保持70%电场不互相干扰,若要达到98%的电场不互相干扰,可使用10W的间距。

滤波电容与电感为了去除信号上高频成分对EMI的不良影响,工程师常在信号在线加上滤波用的电容与电感。通常而言,并联旁路电容可去除I/O连接头与信号在线的差动模式(differential-mode) RF电流;串联电感则可以去除信号在线的共通模式(common-mode) RF电流。值得注意的是,这些滤波电容与电感除了滤去高频噪声外,也会滤去信号的高频部份,使得信号的上升时间与下降时间变慢。因此最大多数是应用在信号频率不高,但EMI问题最容易凸显的I/O信号线部份。

电源层与接地层的隔离(Isolation)由于电路板上有速度高的主总线,内存等等的线路,也有速度不快的传统I/O线路,因此常常将慢速的部份,尤其是会将噪声从I/O缆线带出的I/O部份与其它部份相隔离。常见的作法,是以至少50 mils宽的壕沟将两边的电源层与接地层相隔离,只留一小截的通道与主要的电源层和接地层连接。I/O信号线便从这信道的上方通过,以避免跨越壕沟增大电流回流圈的问题。

关于布线技巧与EMC就介绍完了,您有什么想法可以联系小编。

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