印制電路板導(dǎo)線抗干擾設(shè)計(jì)淺析

1、第26卷第1期2008年3月JICHENGDIANLUTONGXUN集成電路通訊Vo.l26 No.1Mar.2008印制電路板導(dǎo)線抗干擾設(shè)計(jì)淺析方 嵐(中國兵器工業(yè)第214研究所 蚌埠 233042)摘 要 本文分析了在印制電路板上幾種主要由導(dǎo)線引入的干擾的形成,以及如何從印制電路板的設(shè)計(jì)入手抑制此類干擾的方法。關(guān)鍵詞 印制電路板 導(dǎo)線 噪聲 干擾抗耦合。2.2 導(dǎo)線間串音干擾串音干擾泛指線與線靠近時(shí)由于相互之間分布電容耦合而引入的噪聲干擾。2.3 導(dǎo)線終端反射干擾導(dǎo)線終端反射干擾主要發(fā)生在高速數(shù)字電路之間長線信號(hào)傳輸過程中。高速變化的信號(hào)在較長的導(dǎo)線上傳輸時(shí),會(huì)發(fā)生類似反射的情況,造成信號(hào)

2、畸變或產(chǎn)生噪聲脈沖,導(dǎo)致電路誤動(dòng)作。1 引 言越來越多的印制電路板被使用在電子產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)中,目前廣泛使用的電子線路設(shè)計(jì)軟件Protel系列、POWERPCB、Orcad等都包括有強(qiáng)大的印制電路板繪制模塊,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行自主開發(fā)。由于印制電路板的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)影響到電子產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性,因此在繪制時(shí),除了要考慮到一般的設(shè)計(jì)原則,還要著重考慮其抗干擾性。此時(shí)我們往往會(huì)考慮通過為重要的器件配置去耦電容,盡可能的加大電源線和地線寬度等措施去抑制噪聲干擾,但是抑制這些噪聲干擾的另一個(gè)重要途徑 密布在整個(gè)印制板上的各種導(dǎo)線的抗干擾設(shè)計(jì)往往被我們忽略,本文就針對導(dǎo)線所引入的干擾進(jìn)行探討。3

3、導(dǎo)線干擾的形成原理3.1 導(dǎo)線阻抗干擾的形成原理目前在印制電路板的制造中,導(dǎo)線多為銅線,銅金屬本身的物理特性決定了其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗,導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸,電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸,在高頻線路中電感量的影響尤為凸出。在印制電路板上某段導(dǎo)線均可被看作是很規(guī)則的矩形銅條,我們以一段長10cm、寬1.5mm,厚度為50 m的導(dǎo)線為例,通過計(jì)算可看到其阻抗的大小。導(dǎo)線電阻可通過公式來計(jì)算:R= L/s( )式中L為導(dǎo)線長度(米),s為導(dǎo)線截面積(平方毫米), 為電阻率 =0.02。通過計(jì)算得出該導(dǎo)線電阻值約為0.026 。,2 導(dǎo)線干擾的種類印制電路板上元器件之間信

4、號(hào)傳輸?shù)倪B線、電源線、地線等均是采用導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)的,由導(dǎo)線引入的干擾種類很多,成因也很復(fù)雜,在這里我們著重探討以下三種干擾。2.1 導(dǎo)線阻抗干擾導(dǎo)線阻抗由電阻和電感兩種成份組成,在信號(hào)傳輸過程中由于阻抗的存在當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過時(shí)就會(huì)產(chǎn)生壓降,這種壓降引起電源和信號(hào)傳,20集成電路通訊第26卷第1期寬度時(shí),導(dǎo)線的自感量為0.8 H/m,那么10cm長的導(dǎo)線則具有0.08 H的電感量。然后我們可以由下面的公式求出該導(dǎo)線所呈現(xiàn)出來的感抗:XL=2!fL式中!為常數(shù),f為導(dǎo)線通過信號(hào)的頻率(Hz),L為單位長度導(dǎo)線的自感量(H)。這樣我們可以分別計(jì)算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗:當(dāng)f=10KHz時(shí),XL

5、=6.28 10 10 0.08 10!0.005 ;當(dāng)f=30MHz時(shí),XL=6.28 30 10 0.08 10!16 ;-66-63通過以上公式計(jì)算我們可以看到,在低頻信號(hào)傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗,而在高頻信號(hào)中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻。3.2 導(dǎo)線間串音干擾的形成原理目前印制電路板上元器件密度不斷增大,導(dǎo)線之間的間隙也越來越小,由于導(dǎo)線間存在的分布電容,就造成了這種串音干擾。當(dāng)導(dǎo)線之間相互平行時(shí),導(dǎo)線相當(dāng)于電容的兩極,電容耦合的現(xiàn)象較易發(fā)生,因此串音干擾在長距離相互平行的導(dǎo)線間更明顯。圖1(a)是最常見的邏輯門信號(hào)傳輸電路,T:某長度導(dǎo)線所產(chǎn)生的延遲時(shí)間tR:傳輸信號(hào)上升沿時(shí)間圖1

6、 串音噪聲幅度與信號(hào)上升沿時(shí)間以及耦合線長的關(guān)系(b)、(c)、(d)圖則分別描述了(a)圖中a點(diǎn)的產(chǎn)生串音噪聲的三種情況:當(dāng)T>tR時(shí),a點(diǎn)的串音噪聲的上升沿等于t,振幅為R,脈寬等于2T最大;當(dāng)T=0.5tR時(shí),串音噪聲成三角波,幅值正0.R沖,達(dá)不到最大值。3.3 導(dǎo)線終端反射干擾的形成原理對于數(shù)字電路來說,尤其是高速數(shù)字電路中有一種干擾不能被我們忽視,那就是導(dǎo)線終端反第26卷第1期 集成電路通訊 21本規(guī)律有關(guān)。圖2(a)是最簡單的數(shù)字信號(hào)傳輸電路,圖(b)是其傳輸?shù)刃щ娐?傳輸線有分布電容和分布電感,因?yàn)殡姼械拇嬖谧璧K著電流的突變,電容圖2 終端接有負(fù)載的傳輸線的存在阻礙著電壓

7、的突變,當(dāng)K合上后,并不是整個(gè)傳輸線上所有點(diǎn)均同時(shí)達(dá)到電壓的定值E和電流的定值I,而是象電流波和電壓波那樣按照相同的速度向終端推進(jìn),如圖3所示:Lo,當(dāng)幅度為E的電壓波和幅度為I的電流波由始端向終端推進(jìn)時(shí),傳輸線的特性阻抗R =E/I=Lo/Co;由于特性阻抗的存在,使得高速數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中,由電容量影響的電壓波和由電感量影響的電流波不能同步傳輸,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幅度為E的電壓波和幅度為I的電流波從傳輸線終端反射回來迭加到原來的電壓波和電流波上的現(xiàn)象,這種迭加信號(hào)和原有的信號(hào)共同進(jìn)入傳輸網(wǎng)絡(luò),造成信號(hào)失真,產(chǎn)生干擾。4 導(dǎo)線干擾的抑制在了解了導(dǎo)線干擾的形成原理后,我們就可以針對性地在印制電路板設(shè)

8、計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理,最大限度地抑制導(dǎo)線引入的干擾,增強(qiáng)印制電路板的抗干擾能力。4.1 接入旁路電容圖3 傳輸線上的電壓波和電流波由于導(dǎo)線上的電感成分的存在,在電流突變的情況下導(dǎo)線上將產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓降,要有效的抑制這種電壓波動(dòng),特別是電源線上的電壓波,電流波的大小與傳輸線特性L、C有關(guān),電壓波和電流波幅度之間的關(guān)系則取決于傳輸線22集成電路通訊第26卷第1期容可以很好的起到緩沖作用,將電源的波動(dòng)降低到最小程度。對于功耗電流較大的集成電路,最好是在每個(gè)電路都接入旁路電容,即使功耗小的也要每隔幾個(gè)電路接入一個(gè)旁路電容。圖4 旁路電容的接入方法圖4描述了兩種旁路電容的接入方法,(a)圖所示的接法是每隔

9、一個(gè)集成電路長度的電源線接入一旁路電容,這是一種正確的接入方法,(b)圖所示的方法并不是在每個(gè)集成電路的電源和地間接入旁路電容,這樣接等于在旁路電容的引線上接上了一根很長的導(dǎo)線,它并不能有效的抑制電感量的作用,因此它表示的是一種錯(cuò)誤的接入方法。接入旁路電容可以有效的降低導(dǎo)線對的阻抗,抑制串音干擾的發(fā)生。4.2 合理設(shè)計(jì)信號(hào)線目前印制電路板上的信號(hào)線的密度越來越大,線與線之間距離減小,串音干擾的產(chǎn)生就是由于兩信號(hào)線較長距離平行走線的結(jié)果。由于信號(hào)線始終時(shí)一端為某電路的輸出,另一端接另一電路的輸入,因此信號(hào)線的設(shè)計(jì)往往受制于印制電路板上集成電路的放置,在充分考慮電路功能的情況下,我們可以遵循以下幾

10、條基本原則來進(jìn)行信號(hào)線的設(shè)計(jì):a.電源線和地線作為特殊的信號(hào)線要求單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮;b.印制電路板相同一面上輸入、輸出信號(hào)的,發(fā)生反饋耦合,印制電路板兩面的線也應(yīng)盡量垂直布置;c.信號(hào)線拐彎處應(yīng)進(jìn)行原弧形處理;d.功率線、交流線盡量布置在和信號(hào)線不同的板上,否則應(yīng)和信號(hào)線分開走線;e.石英晶振下面和對噪聲特別敏感的元件下面盡量不要進(jìn)行信號(hào)線設(shè)置。4.3合理設(shè)計(jì)地線導(dǎo)線中的地線由于電感成分產(chǎn)生公共阻抗耦合,是電路工作中常見的干擾源,除了使地線盡可能粗和短并加入旁路電容外,還應(yīng)對地線的分布進(jìn)行設(shè)計(jì),盡量避免不同電路間存在較大的地線公共阻抗。在進(jìn)行地線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下幾條基本原則:a.信號(hào)地與模擬地

11、分開;b.小信號(hào)地線與大功率地線分開;c.應(yīng)盡量加粗,至少能通過3倍于印制板上的允許電流,一般應(yīng)達(dá)23mm;d.應(yīng)盡量構(gòu)成死循環(huán)回路,這樣可以減少地線電位差。4.4 選用合適的集成電路在印制電路板上另一主要部分就是集成電,第26卷第1期集成電路通訊23的條件,集成電路本身的特性也能對導(dǎo)線的干擾引入產(chǎn)生影響,例如終端反射干擾就是出現(xiàn)在高速數(shù)字電路的傳輸過程中。在設(shè)計(jì)規(guī)則允許的情況下盡可能地使用慢速電路并縮短導(dǎo)線的長度,必要時(shí)加終端匹配,最常用的匹配器件就是電阻。一般情況速度較快的TTL電路其導(dǎo)線長度大于10cm時(shí)就應(yīng)加終端匹配措施,對速度較慢的CMOS電路這個(gè)界限可以放寬510倍。觀存在很難徹底

12、消除,因此我們必須從開始設(shè)計(jì)時(shí)就對印制電路板進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對承擔(dān)信號(hào)傳輸作用的導(dǎo)線的走向做到盡可能的考慮周密,對特殊導(dǎo)線做到特殊處理,從源頭著手抑制導(dǎo)線引入噪聲干擾的途徑,這樣才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的印制電路板,從而保證電子產(chǎn)品能擁有良好的性能。參考文獻(xiàn)1 諸邦田.電子線路抗干擾技術(shù)手冊.北京科學(xué)技術(shù)出版社.2 鄭詩衛(wèi).印制電路板排版設(shè)計(jì).科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.5 結(jié)束語印制電路板上星羅棋布的導(dǎo)線完成信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí),由于自身的物理特性和外界電磁場的存在或多或少地引入了各種噪聲干擾,這些噪聲客(上接第18頁)分析以及安全性優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),并充分考慮到體積要求,使雙電子延時(shí)器電路最終做到體積小、精度高、安全性高,使得電子延時(shí)器電路成功替代機(jī)械鐘表式、火鏈?zhǔn)窖訒r(shí)器,從而解決了人工降雨等工程應(yīng)用中延時(shí)器小型化的需要。目前已生產(chǎn)一定數(shù)量的雙電子延時(shí)器電路,經(jīng)實(shí)際使用,雙電子延時(shí)器達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。適合于具有體積要求的工業(yè)爆破、人工降雨等工程推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 王毓銀.脈沖與數(shù)字電路.北京:高等教育出版社,1993.3.2 童詩