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高速印制電路板的設(shè)計(jì)及布線要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2008/8/22 0:00:00 訪問次數(shù):818

  摘要 主要討論了高速電路板的典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的布線要點(diǎn),為設(shè)計(jì)者提供了一套實(shí)用的參考資料,使設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)工藝要求。

1 引言

  無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊的日益發(fā)展,信息產(chǎn)品走向高速與高頻化, 電子設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢也向高頻化發(fā)展,衛(wèi)星系統(tǒng)、移動電話接收基站等通信產(chǎn)品都必須用到高頻pcb來支撐整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。怎樣利用pcb的布線來保證整個(gè)高頻系統(tǒng)實(shí)施是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。目前約50% 的設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率超過50mhz,將近20% 的設(shè)計(jì)主頻超過120mhz。當(dāng)系統(tǒng)工作在50mhz時(shí),將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號完整性問題,當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)鐘達(dá)到120mhz時(shí),除非使用高速電路設(shè)計(jì)技術(shù),否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的pcb將無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求,達(dá)不到系統(tǒng)的可靠性。

1.1 印制電路板的高頻基板材料

1.1.1 高頻基板材料的基本特性

  高頻基板材料的介電常數(shù)(dk),必須小而且很穩(wěn)定,通常是越小越好,信號的傳送速率與材料介電常數(shù)的平方根成反比,高介電常數(shù)容易造成信號傳輸延遲;介質(zhì)損耗(df)必須小,這主要影響到信號傳送的品質(zhì),介質(zhì)損耗越小使信號損耗也越;基板與銅箔的熱膨脹系數(shù)盡量一致,因?yàn)椴灰恢聲诶錈嶙兓性斐摄~箔分離;基板的吸水性要低、吸水性高就會在受潮時(shí)影響介電常數(shù)與介質(zhì)損耗;其它耐熱性、抗化學(xué)性、沖擊強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等也必須良好。

1.1.2 三種高頻基板物性

  現(xiàn)階段所使用的環(huán)氧樹脂、ppo樹脂和氟系樹脂這三大類高頻基板材料,以環(huán)氧樹脂成本最便宜,而氟系樹脂最昂貴:而以介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、吸水率和頻率特性考慮,氟系樹脂最佳,環(huán)氧樹脂較差。當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用的頻率高過10ghz時(shí),只有氟系樹脂印制板才能適用。

  表1 三種高頻基板物性比較表

  表1表示三種高頻基板物性比較表,氟系樹脂高頻基板性能遠(yuǎn)高于其它基板,但其不足之處除成本高外是剛性差及熱膨脹系數(shù)較大。對于聚四氟乙烯(ptfe)而言,為改善性能用大量無機(jī)物(如二氧化硅sio2)或玻纖布作增強(qiáng)填充材料,來提高基材剛性及降低其熱膨脹性。另外因聚四氟乙烯樹脂本身的分子惰性,造成不容易與銅箔結(jié)合性差,因此更需與銅箔結(jié)合面的特殊表面處理。處理方法上有聚四氟乙烯表面進(jìn)行化學(xué)蝕刻或等離子體蝕刻,增加表面粗糙度和活性或者在銅箔與聚四氟乙烯樹脂之間增加一層粘合膜層提高結(jié)合力,但可能對介質(zhì)性能有影響。

2 高速印制電路板的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 避免高速電路的傳輸效應(yīng)

2.1.1 高速電路的傳輸效應(yīng)

  通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45mhz-50mhz,而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量(比如說1/3),就稱為高速電路。實(shí)際上,信號邊沿的諧波頻率比信號本身的頻率高,是信號快速變化的上升沿與下降沿(或稱信號的跳變)引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此,通常規(guī)定如果線傳播延時(shí)大于1/2數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時(shí)間, 則認(rèn)為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。因此必須避免傳輸線效應(yīng),防止原邏輯電路信號被疊加或相抵消而改變。

2.1.2 嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度

  如果設(shè)計(jì)中有高速跳變的前后沿時(shí)間,就必須考慮到在pcb板上存在傳輸線效應(yīng)的問題,F(xiàn)在普遍使用的很高時(shí)鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問題。解決這個(gè)問題有一些基本原則:如果采用cmos或ttl電路進(jìn)行設(shè)計(jì),工作頻率小于10mhz.布線長度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50mhz布線長度應(yīng)不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過75mhz布線長度應(yīng)在1英寸。對于gaas芯片最大的布線長度應(yīng)為0.3英寸。如果超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),就存在傳輸線的問題。

2.1.3 合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  解決傳輸線效應(yīng)的另一個(gè)方法是選擇正確的布線路徑和終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用高速邏輯器件時(shí),除非走線分支長度保持很短.否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線上的分支走線所扭曲。通常情形下,pcb走線采用兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即菊花鏈(daisychain)布線和星形(star)分布。 對于菊花鏈布線,布線從驅(qū)動端開始,依次到達(dá)各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來改變信號特性,串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動端。在控制走線的高次諧波干擾方面,菊花鏈走線效果最好 但這種走線方式布通率最低,不容易100%布通。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短,安全的長度值應(yīng)該是:stub delay <= trt*0.1。例如,高速ttl電路中的分支端長度應(yīng)小于1.5英寸 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)。但是這種走線結(jié)構(gòu)使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的。

  對于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),布線從驅(qū)動端開始.平行到達(dá)各接受端,可以有效的避免時(shí)鐘信號的不同步問題。2.1.4 抑止電磁干擾解決信號完整性問題將改善pcb板的電磁兼容性(emc

  摘要 主要討論了高速電路板的典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的布線要點(diǎn),為設(shè)計(jì)者提供了一套實(shí)用的參考資料,使設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)工藝要求。

1 引言

  無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊的日益發(fā)展,信息產(chǎn)品走向高速與高頻化, 電子設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢也向高頻化發(fā)展,衛(wèi)星系統(tǒng)、移動電話接收基站等通信產(chǎn)品都必須用到高頻pcb來支撐整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。怎樣利用pcb的布線來保證整個(gè)高頻系統(tǒng)實(shí)施是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。目前約50% 的設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率超過50mhz,將近20% 的設(shè)計(jì)主頻超過120mhz。當(dāng)系統(tǒng)工作在50mhz時(shí),將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號完整性問題,當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)鐘達(dá)到120mhz時(shí),除非使用高速電路設(shè)計(jì)技術(shù),否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的pcb將無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求,達(dá)不到系統(tǒng)的可靠性。

1.1 印制電路板的高頻基板材料

1.1.1 高頻基板材料的基本特性

  高頻基板材料的介電常數(shù)(dk),必須小而且很穩(wěn)定,通常是越小越好,信號的傳送速率與材料介電常數(shù)的平方根成反比,高介電常數(shù)容易造成信號傳輸延遲;介質(zhì)損耗(df)必須小,這主要影響到信號傳送的品質(zhì),介質(zhì)損耗越小使信號損耗也越;基板與銅箔的熱膨脹系數(shù)盡量一致,因?yàn)椴灰恢聲诶錈嶙兓性斐摄~箔分離;基板的吸水性要低、吸水性高就會在受潮時(shí)影響介電常數(shù)與介質(zhì)損耗;其它耐熱性、抗化學(xué)性、沖擊強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等也必須良好。

1.1.2 三種高頻基板物性

  現(xiàn)階段所使用的環(huán)氧樹脂、ppo樹脂和氟系樹脂這三大類高頻基板材料,以環(huán)氧樹脂成本最便宜,而氟系樹脂最昂貴:而以介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、吸水率和頻率特性考慮,氟系樹脂最佳,環(huán)氧樹脂較差。當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用的頻率高過10ghz時(shí),只有氟系樹脂印制板才能適用。

  表1 三種高頻基板物性比較表

  表1表示三種高頻基板物性比較表,氟系樹脂高頻基板性能遠(yuǎn)高于其它基板,但其不足之處除成本高外是剛性差及熱膨脹系數(shù)較大。對于聚四氟乙烯(ptfe)而言,為改善性能用大量無機(jī)物(如二氧化硅sio2)或玻纖布作增強(qiáng)填充材料,來提高基材剛性及降低其熱膨脹性。另外因聚四氟乙烯樹脂本身的分子惰性,造成不容易與銅箔結(jié)合性差,因此更需與銅箔結(jié)合面的特殊表面處理。處理方法上有聚四氟乙烯表面進(jìn)行化學(xué)蝕刻或等離子體蝕刻,增加表面粗糙度和活性或者在銅箔與聚四氟乙烯樹脂之間增加一層粘合膜層提高結(jié)合力,但可能對介質(zhì)性能有影響。

2 高速印制電路板的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 避免高速電路的傳輸效應(yīng)

2.1.1 高速電路的傳輸效應(yīng)

  通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45mhz-50mhz,而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量(比如說1/3),就稱為高速電路。實(shí)際上,信號邊沿的諧波頻率比信號本身的頻率高,是信號快速變化的上升沿與下降沿(或稱信號的跳變)引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。因此,通常規(guī)定如果線傳播延時(shí)大于1/2數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時(shí)間, 則認(rèn)為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。因此必須避免傳輸線效應(yīng),防止原邏輯電路信號被疊加或相抵消而改變。

2.1.2 嚴(yán)格控制關(guān)鍵網(wǎng)線的走線長度

  如果設(shè)計(jì)中有高速跳變的前后沿時(shí)間,就必須考慮到在pcb板上存在傳輸線效應(yīng)的問題,F(xiàn)在普遍使用的很高時(shí)鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問題。解決這個(gè)問題有一些基本原則:如果采用cmos或ttl電路進(jìn)行設(shè)計(jì),工作頻率小于10mhz.布線長度應(yīng)不大于7英寸。工作頻率在50mhz布線長度應(yīng)不大于1.5英寸。如果工作頻率達(dá)到或超過75mhz布線長度應(yīng)在1英寸。對于gaas芯片最大的布線長度應(yīng)為0.3英寸。如果超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),就存在傳輸線的問題。

2.1.3 合理規(guī)劃走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  解決傳輸線效應(yīng)的另一個(gè)方法是選擇正確的布線路徑和終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指一根網(wǎng)線的布線順序及布線結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用高速邏輯器件時(shí),除非走線分支長度保持很短.否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線上的分支走線所扭曲。通常情形下,pcb走線采用兩種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即菊花鏈(daisychain)布線和星形(star)分布。 對于菊花鏈布線,布線從驅(qū)動端開始,依次到達(dá)各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來改變信號特性,串聯(lián)電阻的位置應(yīng)該緊靠驅(qū)動端。在控制走線的高次諧波干擾方面,菊花鏈走線效果最好 但這種走線方式布通率最低,不容易100%布通。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們是使菊花鏈布線中分支長度盡可能短,安全的長度值應(yīng)該是:stub delay <= trt*0.1。例如,高速ttl電路中的分支端長度應(yīng)小于1.5英寸 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占用的布線空間較小并可用單一電阻匹配終結(jié)。但是這種走線結(jié)構(gòu)使得在不同的信號接收端信號的接收是不同步的。

  對于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),布線從驅(qū)動端開始.平行到達(dá)各接受端,可以有效的避免時(shí)鐘信號的不同步問題。2.1.4 抑止電磁干擾解決信號完整性問題將改善pcb板的電磁兼容性(emc

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