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我们接着讲第20讲

数字电路的电容系统设计

我们来看一个电路板

上面除了各种集中元器件之外

还有大量的分布式的元件

如这些标红的部位

就是电感 电容和电阻

在电路板上面

电感 电容 电阻

占了PCB板面积的80%

成本达到了70%

在电路板上的电容有什么作用呢

电路板上的电容可以满足

数字电路工作时要求的电源平稳和清洁度

另外

它可以达到旁路和退耦的效果

防止电磁能量由一个回路

传输到另外一个回路

这是我们在电磁兼容设计中常用的一种设计技术

对于退耦电容来说

它解决定了电源板上高频分量

而产生的射频电磁能量

旁路内容是用于消除高频辐射噪声

防止产生共模干扰

并在滤波器中起限制带宽的作用

另外还有平滑电容

它保持元件的恒定直流电压

减轻开关器件动作时引起的电源的波动

这个图给出了一些退耦电容

旁路电容和平滑电容的应用的实例

对于数字电路的电容来说

我们不能将电容要布置在一块

集中布置

而应该是分散的

在集总器件的周围来进行布置

电路设计师也考虑到电容的自谐振的频率

电容器的的自谐振频率

是决定电容设计的关键参数

电源层和接地层之间构成了平板电容器

也有自谐振频率

这一谐振频率如果与时钟频率相同

就会使整个印制电路板成为一个电磁辐射器

对于谐振频率一般可以达到200~400MHz

采用20H的原则

还可以使这个谐振频率提高2~3倍

电源回路中加电容器时

应考虑电源和地平面回路中连接元器件的情况

设备内部与电源连接的供电电路等因素

退耦电容的电容量

可以由这样一个公式来进行计算

它是等于ΔI除以ΔV除以Δt

这里ΔI是瞬变的电流

ΔV为逻辑器件工作允许的电源电压值的变化

Δt为开关的时间

这样我们还可以得到

逻辑器件正常工作时允许的阻抗

它是等于ΔV除以ΔI

由电源线条的电感

我们可以求出它对应的临界的频率

fm是等于Zm除以2πLm

使用频率高于fm时

如果电路中的电源引线比较长

瞬变电流就会引起较大的压降

这样要加平滑电容来维持器件要求的电压值

也就是使上拉电流主要流过平滑电容

产生较小的压降或者波动

应该在每一个集中器件周围加平滑电容

电源的入口也要加平滑电容

另外I/O连接器距电源输入连接器远的地方

元件较密集的地方

时钟发生电路附近都要加平滑电容器

电容器的电容值来如何确定呢

因为过多的使用和过少的使用内容都不好

恰当的使用

并置于恰当的位置

可以取得最佳的效果

一般可以用这个公式来计算电容的最大值

它是等于0.3乘以上升时间除以并联的电阻

这个并联电阻是源端和负载端电阻的并联值

通常不使用更大的退耦电容值

以避免发生基线的漂移

加入退耦电容时

必须考虑可能产生的接地环路的效应

对于多层板来讲

可将退耦电容

压在处于任何地方的元件的电源接线端附近

另外我们还要考虑

时钟电路的电磁兼容设计的问题

两个ns上升沿的时钟信号

它的辐射能量的带宽可以达到160MHz

衰减20分贝的辐射带宽可达10倍

即1.6GHz

因此时钟电路设计质量

是保证整机辐射指标的关键

时钟电路设计的步骤包括

根据原理图

画出布线草图

把所采用的元器件按实际尺寸摆放

并画出元件的摆放图

然后

计算每一条时钟线的阻抗

延迟时间

容性负载等参数

针对阻抗适配或延迟失配

情况来设计匹配电路

最后实际时钟布线及转接电路

最后实际时钟布线及转接电路

如何控制回路的阻抗

但微带线的阻抗与负载阻抗不一样时

时钟信号又会在此发生反射

造成误码发生

终端反射使时钟信号发生抖动或过冲

因此消除时钟线条终端反射效应

就可以减弱电子辐射和电磁干扰

阻抗匹配方法是将时钟驱动器输出阻抗

等于始终线条的波阻抗

主要的方法有串联电阻 并联电阻

戴维南网络 RC网络等

也可以采用二级管网络

它用于差分或者对称网络的情况中

另外信号在传输中会产生时延

会导致时钟的相位差

导致工作循环的相位差

输出-输出的相位差

以及部分-部分的相位差

一个波在电路板上传输1英尺

它对应的时间有这个公式进行计算

它是与地路板的相对介电常数呈直接相关的

印制线条用波阻抗和传输时间

两个参数来描述它的特性

没有外界电容时

传输性的时延可以由这个公式来进行计算

传输性的时延可以由这个公式来进行计算

接入容性负载后

由于电容的充电效应

传输线延迟会大大的增加

电容性负载等效为在传输器上附加了额外的分布电容

因而改变了传播线的传播参数

这样导致传输线的传播时间增加

为了控制它的传输时间

我们就要控传输线的长度

接受时钟信号器件的输入阻抗

与印制线路板阻抗不一致

在接收端发生信号

波形的变化

引起了串音和高频辐射

标准的印制电路板材料上的印制线长度

的电磁波传输速度为光速的60%

我们可以得到

不必进行阻抗匹配的时钟线条的最大的长度

它是等于tr除以二倍的tpd的

tr就是它的边缘时间

tpd是它的传输时间

这样我们可以得到微带线波导

以及微带线对应的最大长度

一个是7倍tr

一个是9倍tr

通常时钟线应只安排在同一层

或安排在由一镜像平面分开的相邻的两个层面

时钟电路布线方法包括

首先确定线条的布线层

时钟传输线布线层要靠近实心的镜像平面

其次要设计不同层的跳线位置

射频电流将经最小阻抗的路径

经过镜像平面返回

跳线会引起镜像面的不连续

射频电流的回路电流

并不会随同一起跳

就会产生串音和电磁辐射问题

其次要设计线条的阻抗和终端的匹配电路

另外还要设计保护 分流线条

将时钟线条等一些重要的线条

由源点到目的点之间全部包围起来

对于数字电路的抗扰设计

我们分析数字电路时

要注意的一个基本原理是

逻辑阈值更靠近0V而离Vc值较远

无论是共模射频干扰还是瞬态干扰

都在地线上产生

差模干扰不会从外部端口传入到内部电路的深处

而布线时

要注意使地线干扰电流

远离逻辑电路

当单独依靠布线不能解决干扰问题时

因对I/O进行滤波或者隔离

为干扰电流提供一条安全的通路

以上就是这一讲的内容

谢谢各位同学