高速電路設計培訓資料一

1、第一章概述1.1 如何區(qū)分高速和低速高速設計和低速設計的區(qū)分，簡單來說，就是分布式系統(tǒng)思維和集總式系統(tǒng)思維的區(qū)別.誤區(qū):信號周期頻率F高的才屬于高速設計事實上，設計中需要考慮的最高頻率往往取決于信號的有效頻率(或稱轉折頻率)F/kneeF/knee=0.35/Tr其中Tr是信號時鐘T的10%90%的上升時間；(根據(jù)傅立葉變換得到的)注：'1.1.1 在沒有現(xiàn)成的電路下，沒辦法測出Tr,此時，可假設信號的上升時間為信號周期的7%,即F/knee約為信號周期頻率的7倍。2.2.2 上一點對高頻信號(eg:1GHz以上的信號)并不成立，極高頻信號的上升沿很緩，上升時間甚至可能達到信號周期的2

2、0%,因此，再利用F/knee的計算公式已經(jīng)沒有意義，同時，判斷極高頻信號屬于高速還是低速，本身就沒有意義。3.3.3 對所有的高速信號，應視做傳輸線處理。誤區(qū)：電容、電感是理想器件1、在低速領域，電容、電感的工作頻段比較低，可以認為它們都是理想器件，高速領域，電容和電阻已經(jīng)不能簡單地視為純粹的電感、電容。低速電路中，C兩端被視為斷路，而在高速電路中，假定其工作頻率為F,則電容C表現(xiàn)出的電抗值為1/(2tFC),當F很大時，電容表現(xiàn)為短路；同理電感在低速中表現(xiàn)為短路，在高速電路中將表現(xiàn)斷路。2、高速與低速的區(qū)分，不僅取決于信號的有效頻率；還取決于信號傳輸路徑的長度.一般而言，當LU*1/6,為

3、低速信號，反之為高速信號其中，L為信號傳輸路徑的長度(即信號線的長度)，U為信號線的有效長度3、信號線的有效長度UU=(0.35/Fknee)/DD:是信號在PCB上的走線延時(ps/inch),即信號在PCB上傳輸速度的倒數(shù)。4、如何計算D空氣的傳輸速度為300000000m/s,介電常數(shù)Er=1,以介電常數(shù)Er=4.5的PCB材質(zhì)為例，銅線的傳輸速度為141000000m/s,由于1m=39.37inch,所以傳輸速度為5550000000inch/s即D為180ps/inch。注：電信號在真空中的傳播速度是光速，3*10A8m/sor11.8inch/ns.在其他的介質(zhì)中，如果相對介電系

4、數(shù)是Er,則傳播速度為11.8/ErA0.5,單位inch/ns。Question:PCB表層信號速度和內(nèi)層信號速度誰更高？第二章高速電路中電阻、電容、電感和磁珠的選型及應用2.1電阻的應用1、案例一案例-一串阻過大導致板間告警失敗業(yè)鼻標i型注斷Rl=lkohmiR2=100ohm,R3=lkohm分析：考慮到單板的熱插拔要求，信號和背板連接器之間都串有電阻：R1、R2、R3進行強度測試時強制將被監(jiān)控的電源接地，由于74LVTH16244是高阻抗輸入，此時3.3V在三個電阻上分壓，74LVTH16244輸入端分得的電平為1.7V,超出低電平的門限；若將R1更換為33ohm,此時輸入端電壓為0.

5、38V,主控板能正確識別告警信息Question：若將R3變?yōu)?.7K,能達到相同的效果嗎？2、案例二：某單板上PHY芯片的核心電源濾波電路設計圖，但長時間運行，電阻R經(jīng)常爆裂。案例-一電阻額定功率不夠造成單板潛在缺陷VCC_COKE長n間運行，發(fā)現(xiàn)r經(jīng)常發(fā)生爆裂,LC濾波電根據(jù)PHY芯片資料，該電源對噪聲等干擾特別敏感，因此設計中不僅采用路，還在電感后串了一個1ohm的電阻RoLC濾波電路能濾除高頻段噪聲，而R不僅能衰減高頻段噪聲，而且能衰減低頻段噪聲，即能作為一個全頻段衰減器。在本例所示的原理圖中，加入R可降低Q值，以避免電源線路的振蕩。注：這種設計方法常用于對噪聲特別敏感的電源，如時鐘的

6、電源等。分析：電阻R,0402封裝，額定功率1/16W,PHY芯片資料，其內(nèi)核電源最大功耗為300mW,即最大電流為200mA,而該電阻最大通流能力僅62.5mA,當PHY全速工作時，造成電阻失效。注：在本例中，電阻起的是全頻段濾波作用，在類似的應用中，電阻還有一個作用是降低電路的品質(zhì)因數(shù)Q。Q定義為回路發(fā)生諧振時，儲存能量與一周期內(nèi)消耗能量之比。在一個由R、L、C組成的串聯(lián)電路中，總阻抗Z=R+1/(jwC)+jwL=R+j(wL-1/wC),回路諧振時，假定諧振頻率w0,則滿足w0L=1/(w0C),此時電路的總阻抗達到最小值RoQ=w0L/R=1/(w0CR)=1/R*(L/CF0.5因

7、此，回路發(fā)生諧振時，能量將集中于諧振頻率點w0,根據(jù)Q值不同，繪制回路幅頻特性曲線如下圖:圖中l(wèi)MUr)|是電路傳遞函數(shù)的模，該值越接近1,表示電路越能無損耗地傳遞能量。所以Q值越大，能量越集中，表現(xiàn)為INU6I的值越接近1,電路的損耗越小。小結：(1)、在儲能電路中，Q值越大，意味著損耗越小；在選頻電路中，Q值越大，意味著濾除其他頻帶信號的能力越強。因此在這些情況下，希望Q值越大越好。(2)、在電源或信號線路中，Q值越大，通頻帶內(nèi)特性曲線越陡峭，越容易引發(fā)振鈴等現(xiàn)象，信號通過這種回路后容易發(fā)生失真。因此在這種情況下，希望Q越小越好。R可降低Q值，以避免電源線路的振蕩。故在本例所示的原理圖中，

8、加入3、電阻的應用要點:1 電阻的阻值2 電阻的尺寸3 電阻的額定功率4 電阻的精度注：(1)、同一系列的電阻有兩種尺寸代碼，一種是EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)代碼，另一種是公制代碼。這兩種代碼都由4位數(shù)字構成，前兩位表示電阻封裝的長度，后兩位表示寬度。EIA代碼是音制代碼，以英寸為單位，如0603的電阻，表示長度為0.06in(60mil)、寬度為0.03in(30mil)。該電阻的公制代碼為1608,表示長度為1.6mm,寬度為0.8mm。(2)在針對額定功率的選型時，需要注意至少降額20%使用。2.2電容的選型及應用2.4.1 高速電路設計中電容的作用及分析1、高速電路設計中電容的作用1)

9、、電荷緩沖池在高速電路設計中，電源的負載是動態(tài)的，為了保證器件工作的穩(wěn)定，希望器件的工作電壓不隨電流和功耗的劇烈變化而同程度變化，即希望器件電壓盡量穩(wěn)定。電容的本質(zhì)是儲存和釋放電荷，當外界環(huán)境變化時，電容中的電荷能被迅速積累和釋放。根據(jù)公式AU=AQ/C,當外部環(huán)境的變化驅(qū)使器件的工作電壓增加或減少時，電容能通過積累和釋放電荷以吸收這種變化，從而保持器件工作電壓的穩(wěn)定。2)、高頻噪聲的重要瀉放通路信號的狀態(tài)不斷在1和0之間切換，器件的電流方向不斷在輸出和輸入之間切換.這種高速的轉變，將在電路上產(chǎn)生大量的噪聲等干擾.從頻譜上看，這些干擾在相當大程度上處于有效信號的2次、3次等倍頻頻率。在電源傳輸

10、路徑上，需要將這些干擾瀉放到相對穩(wěn)定的地平面上，以免影響器件的工作。3)、實現(xiàn)交流耦合(ACCouple)這個是基于電容的通交流、阻直流的天然特性。對直流的隔離(DCBlocking)。2、電容等效電路的分析1)、電容分量ESR由引電阻和器件兩極間等效電阻松成，取決于電容工電容等效電路三SR：EquMalmtSerite跟EiMtacisJ等效串聯(lián)電陰3£L-EquioLanSoriazLn工s七g”,等效率醛電克Rl«k：并聯(lián)泄漏電阻ESL由中腳電感和電容器兩極間等效電城串聯(lián)而成.取決于封裝；作溫度、工作頻率以及電容體本身的導線電阻等;Rlesk瑯決于電容器件本身特有的泄

11、漏特性,2）、ESL分量電容等效電路-ESL分量ESL與器件尺寸的關系:封瞌尺寸02010402沏3050512060612ESL(pH)+0055C700800125063隨封裝增大，ESL將的之增大EJL寫什么有關?1JCM3、濾波電容阻抗隨頻率變化特性的分析對電容器件而言，由于電容分量的存在，電容器件的阻抗隨著頻率的升高而逐漸降低,這是電容器件的本體屬性；ESL分量則使阻抗隨頻率的升高而逐漸增加。電容器件的整體阻抗表現(xiàn)：F增工-電容分僦起主導作用，阻抗逐步變小,器件表現(xiàn)為電客的阻抗特性.濾波效果漸強;F達到諧振頻點-BC和ESL分量對阻抗的效果抵消，在諧振點上,阻抗最小，等于ESR;F繼

12、續(xù)增大一今ESL起上導作用,陰抗逐步增大.器件表現(xiàn)為電感的阻抗特性,濾波效果漸弱.二濾波電容的作用機制是為噪聲等干擾提供一條低阻抗回路，在噪聲頻率點上，要求福波電容的阻抗較小.即，當噪聲頻率落在諧振點時,濾波效果最好.F=(E§LXC產(chǎn)C和E5L越大，期滔振膿率越低，即電容對高版干擾的濾波效果越差；C和ESL®小，諧振頻率越高，越適于二濾除高頻干擾.高速設計中，噪聲等干擾往往不是處在一個頻點上，而是占據(jù)一段頻帶。利用多種不同的電容構成一個比較寬的低阻抗頻帶，以盡可能地覆蓋噪聲頻帶。如下圖：口構建低阻抗頻帶的意義補充：若把若干相同的電容并聯(lián)在一起，共同為某一電源濾波。這樣做的

13、目的，一方但這面起到去藕電容的本地“小池塘”作用，另一方面是為了在諧振點上得到更低的阻抗。樣做并沒有展寬低阻抗頻帶。問題：下圖有沒有起到展寬低阻抗頻帶?SOluJ0503C316r-0OluK0&D32.4.2 高速電路設計常用電容及其應用要點1、陶瓷電容及其應用要點陶掩電容三以陶遂為介質(zhì)，在陶瓷的兩面噴涂金屬作為極板構成。百就勢和劣勢是拜主體枳小、價格低、稔定性好，但容量小。常用的陶瓷電容容俏：兒十年兒十乜匕陶瓷電容-續(xù)第一個宇用是衽兩度中間的數(shù)字墨百/度爆后一個字e現(xiàn)度料定性ACAST-T£-10U2*+5VA10%Y4465*0B十T3%X-570?5+婚CC：+-22

14、6十儂UD七33%7+1251CE+*-47%F75%一P-+A100%R1-M5(nt$H-220V十空映TZ。%X7R,X5R,Y7V分別忌什么意思?哪種性能最好?2、鋰電容及其應用要點鋰電容使用金屬鋁作為介質(zhì)，基于粗的固態(tài)特性，具有溫度特性好、ESL值小、高頻濾波性能好、體積小、節(jié)省PCB面積、容值較大等特點。因此鋰電容一般被應用在需要大容量電容濾波的場合。鋰電容的缺點是耐電容和耐電流的能力較弱。一般要求鋰電容的工作電壓相對額定電壓降額50%以上。遇到以下三種場合之一，鋰電容的額定電壓需將額70%以上使用：(1)附在呈現(xiàn)較強的感性(2)串聯(lián)電阻小(3)瞬間電流較大容值越大的大電容,ESR

15、住往越小門因此，對于大容值的恒電容,更需要電壓降額.從成本上來說，銅電容的價珞正比于容值和額定電工的乘機在設計中，往往將若干小容值的怛電容并職以提供和大I容值怛電容相同的容量.三有利于設計的可能性，有利于成本的降低.3、鋁電解電容及其應用要點華電解電容殿都是插裝式，ESR、EGL比較大，同時由于其采用液體作為介質(zhì).在極高溫和極低溫環(huán)境下,性能也極不穩(wěn)定.從產(chǎn)品長期檢定性來說，鋁電解電容可能成為吃忠.原因：隨著產(chǎn)品使用時間的增加,鋁電解電容內(nèi)部的電一蟀液格逐漸干涸.容量逐漸減小.ESR逐漸牌大，謔波效果減弱。在高速電路電計中.盡后避免選擇鋁電解電容.4、OSCON電容及其應用要點OSCON電容外

16、形酷似鋁電解電容，其優(yōu)點在于，OSCON電容ESR較小、溫度穩(wěn)定性相對鋁電解電容較好、價格相對鋰電容較低。缺點在于絕大多數(shù)OSCON電容，引腳都是插裝形式，并且體積比較大。5、小結在電容應用中，應注意對阻抗一頻率特性曲線的理解2.2.3去藕（decoupled和旁路（bypass）電容匚去耦電容（decouple）1,為器件穩(wěn)定作面給器件電源提供的本地“小池塘”為高頻噪聲提供一條就近流入地平面的低阻抗路徑，以避免這些干擾影響該電源的其他負舞.=旁路電容（bypass）L為前級，比如電源產(chǎn)生的高頻噪聲等干擾,提供一條流到地平面的低阻抗路衿，以避免這些干擾彩響正在高速工作的器件口=2.3電感的選型

17、及應用電感的作用二電感的作用之一：通直流，阻交流H電感的作用之二、阻礙電流的變化，保持器件工作電流的穩(wěn)定.電感的作用之三，濾波.高速電路設計常用電感及其應用要點根據(jù)電感的應用場合，分為：高頻信號用電感；一般信號用電感電源用電感從電感器件資料上,重點應獲得如卜.信息:：nte焙值二三三直流電阻：自諧振須率（Q最大時的頻率）知定申.流1、高頻信號用電感：高頻信號用電感主要用在射頻信號上。1）、主要參數(shù)：電感值范圍：0.6390nH直流電阻：電感值越大，其對應的直流電阻也越大。自諧振頻率：可高達12GHz,L越大，自諧振頻率往往越小。額定電流：幾十毫安到幾百毫安，L越大，對應的額定電流往往越小。2）

18、應用特點：工作頻率小于諧振頻率時，L基本保持穩(wěn)定；但當工作頻率高于諧振頻率后，L將迅速增大，不過，若頻率繼續(xù)增大并達到一定程度后，L又迅速減小。應用中，應選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感。2、一般信號用電感1）、主要參數(shù)：電感值范圍：0.01-1000UH直流電阻：電感值越大，其對應的直流電阻也越大。一般信號用電感，其直流電阻比高頻信號用電感和電源用電感大一些，最小的直流電阻一般為100mO,大的可以到幾O。自諧振頻率：幾十M到幾百M,L越大，自諧振頻率往往越小。額定電流：幾十毫安到幾百毫安，L越大，對應的額定電流往往越小。2）應用特點：工作頻率小于諧振頻率時，L基本保持穩(wěn)定；但當工作頻率高于

19、諧振頻率后，L將會先增大，達到一定頻率后，將迅速減小。從阻抗頻率曲線圖可知，工作頻率低于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電感性，阻抗隨著頻率的升高而增大；當工作頻率高于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電容性，阻抗隨著頻率的升高而減小。因此應用中，應選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感。注：高頻信號用電感和一般信號用電感額定電流都比較小，而直流電阻相對較大，不建議用于電源濾波。3、電源用電感1）、主要參數(shù)：電感值范圍：1470uH直流電阻：電感值越大，其對應的直流電阻也越大。一般直流電阻一般為幾mO,大的可以到幾O。自諧振頻率：幾十M到幾百M,L越大，自諧振頻率往往越小。額定電流：幾十毫安到幾安，L越大，對應的

20、額定電流往往越小。2）應用特點：工作頻率小于諧振頻率時，L基本保持穩(wěn)定；但當工作頻率高于諧振頻率后，L將會先增大，達到一定頻率后，將迅速減小。因此應用中，應選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感。對電源用電感而言，諧振頻率點一般在幾十MHz之內(nèi)，該類電感是高速電路設計中電源濾波最常用的電感。3）注意事項.手冊標稱的電感值-工作頻率低于諧振頻率點MN當工作頻率>>諧振頻率陜則電感值將隨著工作頻率而急劇減小，逐步呈現(xiàn)電容件.電感用r電源濾波時，需要考慮由r其它流電阻血引起的壓降口思考案例！建議-L作電流小額定電瘙如果工作電流大于額定電流.電感未必公損壞，但是電撼值可能低于標稱值.2.4磁珠的選型及應用磁珠的濾波原理1、磁珠的主要功能是吸收電源、信號上的噪聲等干擾。2、磁珠濾波與電容和電感不同之處：磁珠在一定頻帶內(nèi)能反射噪聲，在一定頻帶內(nèi)還能吸收噪聲并轉換為熱能。電路設計中磁珠的應用要點1、磁珠的等效電路圖：X電抗成份，R一電阻成份磁珠等效電路: