高速设计指导(6)

2019-01-10 15:35

但是如果负载的时钟输入端无法保持尽可能靠近,则可以采用星形分配方式,且每条时钟线都应该在负载端加简单并联端接。为了增加可驱动的负载数,可加时钟驱动(或时钟缓冲)器件。

采用这种方式时,时钟缓冲的等效负载等于R/N,其中N为分支数。由于简单并联端接/戴维南端接会拉低源的Voh,因此选择时钟缓冲器件时,必须选择能够驱动这种小负载的芯片,即芯片必须具有大的输出高驱动电流Ioh,以保证V=Ioh*R满足负载器件的输入高电平的门限要求,否则就不能使用简单并联端接/戴维南端接。可驱动小负载的这类芯片市场上的种类不多,因此采用这种结构比较困难。 9.3.2 树形分配方式

二级时钟缓冲 一级时钟缓冲 时钟源 二级时钟缓冲 二级时钟缓冲 图9-5 二级时钟缓冲构成的树形时钟分配网络

为了驱动更多的时钟负载,可以采用多个时钟缓冲,构成树形时钟分配网络。

采用这种结构,由于时钟源相同,且每个分支的缓冲数相同,最小程度减小了不同时时钟线之间的时滞。为了进一步保证小的时滞,使用的各级缓冲应该采用相同的门类型。

推荐1个缓冲输出引脚最多驱动3个时钟负载。 9.3.3 根据时钟线长度确定分配方式

如果时钟发生器/缓冲器驱动多个负载,根据负载之间连线的长度有两种分配方式(如图)。

如果两个负载之间的连线长度在50MHz时<2inch,可采用方式A。否则采用方式B.

时钟发生器/ 缓冲器 串联电阻 Z0 负载1 负载2 50MHz时负载间连线长度<2inch 负载3

图9-6 时钟分配方式A

串联电阻 串联电阻 串联电阻 Z0 Z0 Z0 负载1 负载2 负载3 时钟发生器/ 缓冲器 图9-7 时钟分配方式B

采用分配方式B时,必须满足下面的条件:

(1) 各时钟分配分支线必须等长,以确保反射信号同时到达 (2) 负载必须平衡,以保证反射信号的波形相同

(3) 串联电阻的阻抗满足Rs?Z0?RdriverN,其中Rs为串联电阻,Z0为时钟线特性阻

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9.4 ? ? ?

抗,Rdriver为时钟发生器或缓冲器的等效输出电阻,N为分支线的个数。 时钟电路布线规则

板层数的选则可遵守5/5原则。即如果时钟频率超过了5MHz或上升时间小于5ns就必须考虑使用多层板而不是双层板。

通常当时钟频率超过了50MHz时,就应该使用图9-3中的接保护地螺钉孔的措施,以最小化板上各功能块之间的共模电流和地回路。

时钟线距离其它线的间距应该尽可能大,时钟线距离其它信号线的中心间距应该? 3倍时钟线宽。且时钟线距离最近的电源或地平面边缘距离应该?1倍时钟线宽。

最小3W 最小1W 时钟信号线 W 信号线 离时钟线最近的电源/地平面 ? ? ? ? ? ? ? ?

图9-8 时钟线与其它线及电源/地平面的位置关系

时钟线尽可能在与地平面相邻的层布线,这样可以大大减少线间串绕。 时钟线不能采用90?直角拐弯,应该采用平滑的圆弧拐弯。 不要在时钟发生器下布任何信号线

调整时钟发生器的方向和时钟信号分配,保证时钟线不会互相交叉。 不要使用器件座,直接将时钟器件放置在PCB板上。

时钟线应该先于其它信号线布线,并采用手动布线而不能采用自动布线。 对于要求特别严格的时钟线,可单独放在一层,且上下均加地平面屏蔽。

如果布线空间有限,可以在时钟信号与其它信号间加地线作为保护线(屏蔽线)。所加的地线必须是覆铜地线,且地线应该每隔一段距离接地平面(如图)。

?/4 屏蔽地线 接地平面 信号线 信号线

图9-9 加屏蔽地线进行隔离

其中???tR/tPD,其中tR为信号线上传播信号的上升时间,tPD为信号线的单位延迟时间(见表4-1)。

? 时钟线最好在同一层走线。如果实在不能在同一层完成,应最少化时钟线上的过孔数(一

条时钟线上最多允许有4个过孔,同时为了减小地回路大小,在每个过孔的旁边应该增加相应的地过孔来提供小回路的电流返回路径)。 10 一般高速电路走线规则 10.1 高速线转弯部分处理

在高速电路设计中,必须避免连接线的阻抗不匹配。线不能采用90?拐角,因为90?拐角将导致阻抗突变。高速线拐角可以采用以下三种方式:

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W W W W W W W

W W

W (a) 45?导角 (b)平滑的圆弧拐角 (c)斜切角

图10-1 高速电路中走线转弯的几种方式

其中(a)和(b)在高速数字电路中使用比较多,而(c)通常用在微波波段的微波电路中(因为要求的加工精度比较高)。 10.2 保持线阻抗不变

图10-2 线宽必须保持一致

在高速设计中,同一根连接线的粗细应该保持一致,否则会因为阻抗不连续产生反射,从而影响整个信号的质量,导致系统出现问题。 10.3 走线尽可能短

走线长度应尽可能短。如果线比较长,则应作为传输线处理,应该加适当的端接。 11 信号线的滤波

滤波通常是对电源而言的,也可以用于信号线。但是这种方法通常只能是在信号噪声源无法减少的情况下,作为最后的措施。滤波可以采用:旁路电容、EMI滤波器和磁珠。旁路电容的使用与电源滤波一样。 11.1 EMI滤波器

EMI滤波器时专门设计用来衰减高频噪声的,市场上有专门的EMI滤波器可买。主要用来滤除电源线上的噪声。可用来隔离系统外的电源(称为线)与系统内的电源(称为负载),且其作用是双向的,滤除来自和进入器件或PCB板的噪声。

EMI滤波器由电感和电容组成。构成的拓扑结构由连接节点的阻抗决定。电容连接到高阻抗节点,而电感连接到地阻抗节点。通常EMI滤波器有的:空心电容、L形电路、?形电路和T形电路。

? 空心电容是单电容器件,应用在连接两端的节点阻抗都比较高的情况下。但是不提供节

点之间的高频电流隔离。

图11-1(a)空心电容

? L形电路中包含电感和电容,用在线和负载的阻抗相差很大的情况下。电感一端连接到

阻抗较低的节点。

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图11-1(b)L形电路

? ?形电路包含电感和电容,但是两端均为电容。当线和负载的阻抗都很高,且需要高的

衰减量时,?形电路为最佳选择。

图11-1(c)?形电路

? T形电路,中间为电容,两端为电感。适用于线和负载阻抗都较低的情况。

图11-1(d)T形电路

选择LC滤波器的参数主要是插入损耗,其主要表示加入该滤波器后,信号通过滤波器后信号损失的量。 11.2 磁珠噪声抑制

磁珠的主要作用是对其邻近范围内的线增加了电感,用于高频抑制。磁珠可以用于单线或电缆。当应用于单线时,线从磁珠的中心孔穿过。对于电缆(通常是扁平电缆),通常采用铁氧体磁性材料制作的夹具(如图)。

磁珠 被滤波的线

图11-2(a) 磁珠应用于单线

铁氧体夹 Ribbon线

图11-2(b)铁氧体夹用于扁平电缆 12 混合TTL/ECL的PCB布线规则

(1) 如果PCB板上同时存在TTL信号和ECL信号,两种信号的间距必须?8倍信号线距

离地平面的高度。

(2) TTL最好选用+5V电源而ECL选用-5.2V电源。这样TTL信号和ECL信号使用不

同的电源平面。同时应该使用完全覆铜的实地平面,而不要使用网状地。

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(3) 如果TTL和ECL均采用5V电源(这对于ECL来说不是最佳的),则必须采用分割

的电源平面,将5V电源平面分割成两个子块。分别为TTL和ECL供电。主电源输入端放在TTL一边,地平面可以共用。布线时应保证不要让信号线跨越两个分割电源平面的边界。两个平面之间通过一个具有足够载电流能力的1uF电感连接。

(4) TTL和ECL之间最好使用差分信号连接 13 减少串扰的一般方法

? 通过将时钟信号层安排在紧邻AC地层(包括DC地层和电源层)的层面上,可以

消除不同信号层间的串扰。

? 减少电感串扰的方法

(1) 密连接器/插座画焊盘时,要注意clearance(antipad)不能过大,必须

保证在地层的连接器/插座每个焊盘之间必须有地覆铜相连。 (2) 如果空间允许,可以适当增大并行线之间的间距,以减小线间串扰。 (3) 如果空间比较紧张,可以通过在驱动端增加串联电阻的方法来减少线间的

串扰。

14 电源/地平面安排规则

高速PCB的层堆栈结构要求:除了满足低速PCB层堆栈要求外,高速PCB板要求电源平面和地平面应该放在相邻层,这样可以最大化电源和地之间的去耦电容,降低电源供应噪声。在布线层之间,应该加足够的地平面(不是电源平面)来进行隔离。各地平面之间应通过多个过孔相连。如果采用混合的电源和地平面时,注意不要让信号的返回路径连续通过混合层电源子平面和地子平面,因为返回电流将连续经过电源和地之间的旁路电容,在这些旁路电容上产生压降,从而导致电压辐射,增加了板的辐射噪声问题。

? 如果采用多层PCB板,应该保证电源和地平面(包括保护地)应该为偶数,即保持平面

数平衡。因为这样可以防止制作出来的PCB板翘曲。如果只使用奇数一个覆层平面,且多出来的平面偏向一边,制作出来的PCB板就会出现明显的翘曲。 ? 如果板中同时使用了逻辑地和保护地平面,则最好将保护地与逻辑地放在相邻的层中,

这样即保证了在低频时保护地和逻辑地之间隔离,又可以保证在高频时,逻辑地与保护地(Chassis ground)之间有效的短接。 15 I/O连接的处理

如果PCB板上有I/O接口,则连接器引脚的分配如果有规范,应该遵照规范安排。如果没有规范,则应遵循下面的一般规则:

(1) 合理分配电源引脚、地引脚和信号引脚。分配的原则为,因该尽可能减小电

源与地之间,信号与地之间的回路面积。因此,因该均匀在电源引脚和信号引脚之间的分配地引脚,而不是单纯的将所用地均分配给相邻的引脚。

(2) 如果I/O中有时钟信号,最好在时钟信号周围分配多个地引脚,构成类似带

状线的结构。

(3) 如果连接器上走高速信号,因该在信号输入点加缓冲。这样可以降低共模电

流,和连接结构中的RF的电流,同时还可以使源驱动器消耗较少的功率。

(4) 如果连接结构中有较多的非周期信号,则最好分成多组,每组之间加入地引

脚,这样就提供了一个最小阻抗电流返回路径。

16 降低地弹

地弹(ground bounce)也称为地跳动,随着信号上升时间的减少而增加。地弹可以造成

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