高频板设计有哪些“陷阱”?

电器工程 木板 布局 电路板
2022-01-11 02:54:05

我想为模拟环路控制器设计一个 PCB。板载 A/D、D/A 和处理器的东西。(是 DSP 还是 FPGA,我还没有决定。)因为它应该以 10 kHz 调制模拟信号,所以它需要一个相当快的处理器。

据我了解,由于射频问题,为运行在 150 MHz 以上的处理器设计电路板可能非常具有挑战性。在设计这样的电路板时,您可以提供哪些建议?布局可能会出现什么问题?有没有好的在线资源有这方面的知识库?

谢谢。

4个回答

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关键点:

  • 电路的主要决定因素是逻辑的上升时间。即使您以较慢的时钟速率运行,快速边沿也会产生问题。
  • 然后,系统的最大上升时间为您提供电路的临界长度。本质上,如果您的信号在电路长度上的传播延迟比信号的上升时间长,您需要担心设计的高频方面。
  • 如果事实证明临界长度比电路布局短,那么您需要使用受控阻抗布局。这包括:
    • 轨道几何形状(轨道宽度和高于接地平面的高度)为电路提供定义的特性阻抗。
    • 用线路的特性阻抗端接驱动器和/或接收器。

使用完整的接地和电源平面。旁路电容受到电感的限制,电感主要由封装尺寸、走线和过孔决定。因此,选择您可以使用的最小封装尺寸,然后选择不超出预算的最大电容。如果您需要更多旁路,请增加一两个封装尺寸并获得该封装中最大的电容。将帽连接到接地/电源层时,在每个焊盘的两侧使用两个过孔;vias + cap 看起来有点像 H.

拆分平面有助于隔离模拟和数字部分。 切勿穿过带有信号迹线的分割平面!!! 使信号远离电路板边缘。将信号保持至少 2 倍的走线宽度以防止串扰(此处的模拟很有帮助)。使信号 5 倍走线宽度远离高噪声信号(即时钟)或极其敏感的信号(即模拟输入)。如有必要,在嘈杂/敏感信号周围使用接地保护走线。避免带有噪声/敏感信号的过孔和短截线。

理想情况下,为连接器中的每个信号提供一根接地线。终止连接器信号,因为它们喜欢喷出 EMI。电线周围的铁氧体磁珠也有助于降低连接器噪声。防止信号进入连接器下方。

接地层允许您创建具有明确阻抗的微带走线。如果您的走线很长,您也可以使用终端电阻。我认为一般的经验法则是对于每 nS 的上升时间,您可以在没有终端电阻的情况下达到 2.5"。

使用 IBIS 仿真来确定您是否需要终端电阻。现代 FPGA 对这类事情有很好的技巧。他们可以控制其输出驱动器的强度,有时甚至可以使用“数字控制阻抗”(Xilinx 对该技术的术语)。在确定适当的驱动强度时,IBIS 模拟在这里也有帮助。

查看 Howard Johnson 博士的高速数字设计通讯列表。真是太棒了。 http://www.sigcon.com/pubsAlpha.htm

我对高速布局知之甚少。但是我听到的三个常见的事情是:避免信号走线的直角(它们会导致反射),尽可能多地在电路上使用接地层,并将电路板划分为具有相似的信号类型(低-高速数字、高速数字、模拟)到不同的区域,在你的地平面上有“阻塞点”,以最大限度地减少干扰。

至于好的在线资源,我想您正在考虑的 DSP 或 FPGA 的数据表和应用说明会有一些很好的提示。我记得赛灵思有好东​​西。

为了解决您的应用程序而不是您直接提出的问题(其他答案已经谈到了这一点):

用于环路控制器的 10 kHz DSP 并不太快。(我们对电机控制器使用 5 或 10kHz 控制回路)如果有一个不错的设备,我猜你应该能够在 40-80MHz 的时钟频率下处理它,如果你有必要的话,以及新系列 DSP 的巧妙之处和微控制器的区别在于它们使用锁相环 (PLL) 时钟倍频器来提高内部时钟频率,因此外部实际上不需要任何真正快速的信号。TI 的 TMS320F28xx 系列 DSP(参见 28044 和 28235)具有 5x PLL(半步从 0.5x 到 5x),因此您可以获得 100MHz 时钟和 20MHz 晶振。

对于数字方面,您最需要注意的是确保为处理器提供一对良好的可靠电源和接地层,并确保在处理器的电源引脚附近添加旁路电容器。另外,不要只是洒一堆 0.1uF 的电容器,而是使用各种 0.1uF、0.01uF 和 0.001uF 的电容器。0.1uF 电容器提供更多电荷,但它们的寄生电感在低于 0.01uF 或 0.001uF 电容器的频率下发挥作用。后两者不会提供那么多电荷,但会在旁路上限达到更高频率时正常工作。我们的电路板设计工作正常,但在 DSP 的模数转换器上有适量的噪音。

模数转换将成为您系统中最薄弱的环节。您可能不必太努力地使数字系统正常工作。但除非你小心,否则你的 ADC 的噪声性能会很一般。(我个人恐怕没有太多经验;我们公司的其他工程师处理布局,所以我告诉你的是二手的。)如何处理地平面是由两种不同的方法:是否为整个系统使用一个巨大的接地平面,与两个单独的接地平面,一个模拟 + 一个数字,在 ADC 处连接在一起——前者适用于 8-10 位系统,我听说当您获得更高的位数(16位或更高)时,分离电路的数字/模拟区域更为重要。

不要吝啬 # 板层数。接地层和电源层是您的朋友。