高速电路设计实践.pdf
书名 | 作者 | 出版社 | 阅读日期 |
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高速电路设计实践 | 王剑宇、苏颖 | 电子工业出版社 | 2020年8月9日 |
本书主要是针对高速电路设计,描述的十分贴切实际应用,没有特别多深奥的理论,介绍了很多实际工程上的经验参数,适合实际工程中查阅。
走线长度 L > c ⋅ T r ( 10 % ∼ 90 % ) 3 T r ( 10 % ∼ 90 % ) L>\frac {c \cdot T_{r(10\%\sim90\%)}}3\qquad T_{r(10\%\sim90\%)} L>3c⋅Tr(10%∼90%)Tr(10%∼90%)可以实际测量,也可以取经验值7%T
需求分析、概要设计、详细设计、调试、测试、转产(笔者后续会写一篇文章聊聊硬件设计流程)
原理图看似简单,实际为了让项目其他参与人员能够更容易读懂原理图,需要遵循一些规范,对项目更有帮助(笔者后续会写一篇文章聊聊原理图规范)
阻值:首选参数,可以查阅EIA 标准电阻速查表
尺寸:尺寸往往也和功率挂钩
功率:通过功率和阻值又能算出来过电流能力
精度:某些应用中需要高精度电阻
容值:首选参数,通过计算得出
耐压:需要降额使用,至少降额20%
温度稳定性:每个字母或数字代表一个参数
ESL:主要取决于封装及电容种类,与容值一起决定了谐振频率
ESR:大多数时候越小越好,有时候也需要ESR做补偿
额定纹波电流:耐电流冲击能力
电容损耗正切角:损耗功率和无功功率的比
漏电流:组成了损耗功率的一部分,另一部分是ESR导致的
电容的种类:实际电容选用时,主要依赖的是以上参数,理论上只要以上参数合适,电容的种类并不关键,但是电容种类决定了电容的制作方法,导致每种电容都有某几项参数方面的优势
滤波电容的选择和搭配:和滤波电路的工作频率一起考虑,注意反谐振点
感值:计算时使用的主要参数
直流电阻:会有压降和能量的浪费
自谐振频率:超过该频率,电感值迅速增加;再增大到一定值后,又会减小
额定电流:要大于需要通过的电流
低频成感性,高频成阻性。选择工作电路在转换点频率以下,噪声在转换点频率以上的磁珠。阻抗频率曲线比较重要。
磁珠的吸收噪声的原理是涡流效应,将高频信号转化为热能
电平转换方法:
逻辑器件工艺:
Bipolar:如TTL,速度快,驱动能力强,功耗大
CMOS:功耗低,驱动能力和速度不如Bipolar
BiCMOS:CMOS做核心部分,Bipolar做输入/输出部分
逻辑器件参数:
特性参数:选型时较为关键的参数
极限参数:器件不会损坏的参数范围,需要考虑上下电时的过冲
推荐参数:器件正常工作的参数范围
电气参数:一般包含几种工作条件下的参数范围
传输参数:信号传输时和时间相关的参数
操作参数:器件电平翻转时的相关参数
功耗计算:
静态功耗
动态功耗
总功耗=静态功耗+顺便功耗+容性负载功耗(一般远小于Ptot)
逻辑器件可以作为热插拔接口保护器件:
差分线使用注意事项:
交流耦合会导致连0和连1数目多的时候传输有误,即电容不通直流。交流耦合时如果没有直流偏置需要增加直流偏置电路。
LDO
稳压原理是通过VOUT分压后,经过运放输出驱动调整管,改变调整管上的压降——即VOUT和VIN的压差
关键参数
应用要点
DC/DC
LDO与DC/DC的比较——LDO低噪声纹波、应用简单、成本低、输入输出无延时、缺点是功耗大、效率低、输出电流小、输入输出无隔离;DC/DC功耗低、效率高、支持升压、降压、反相、支持大电流、支持输入输出隔离、缺点是纹波大、设计复杂、成本相对较高、输入输出延时高
建立时间TSU:接收端数据在时钟变化沿之前建立起来的时间
保持时间TH:接收端数据在时钟变化沿之后保持的时间
TCO:发送端数据变化沿和时钟变化沿的时差
Tflight-data:数据传输延时
Tflight-clk:时钟传输延时
时钟抖动C_JIT
数据串扰D_CTLK
复位设计要点
时钟设计要点
抖动
存储器分类
叠层设计步骤
五种阻抗匹配方式
信号回路:在信号完整的情况下信号回路处于参考层,且路径平行于驱动路径;差分信号互为对方的返回路径
信号换层时的要点
地弹:器件内核Die所感知到的电源或地相对PCB电源或地平面的电平波动,是由引线电感和走线电感引起的
串扰:信号线之间由互感、互容而引起的耦合
带状线与微状线:微带线阻抗控制不够准确,高速信号尽量走内层
盲埋孔:寄生参数小,信号完整性更好,走线条件更好,价格也更高
布线
电源完整性
EMC
差模辐射——电流环路
共模辐射——单向天线
ESD防护
爬电距离
结构设计、易用性
散热
生产可测试性
设计可测试性
用途 | 公式 | 备注 |
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集中和分布电路的判定 | L > c ⋅ T r ( 10 % ∼ 90 % ) 3 L>\frac {c \cdot T_{r(10\%\sim90\%)}}3 L>3c⋅Tr(10%∼90%) | L——走线长度;Tr上升时间 |
上拉电阻取值 | R P = t r 2.2 × C s × n R_P=\frac {t_r}{2.2\times C_s\times n} RP=2.2×Cs×ntr | CS——输入引脚的寄生电容;n——并联器件的数目 |
交流耦合电容取值 | C m i n = 7.8 × N U M × T c / R C_{min}=7.8\times NUM\times T_c/R Cmin=7.8×NUM×Tc/R | NUM——最大连0或连1比特数;Tc——每比特位的数据周期;R——负载阻抗(一般取50Ω) |
瞬变功耗计算 | P T = C p d × V c c 2 × F I × N s w I P_T=C_{pd}\times Vcc^2\times F_I\times N_{swI} PT=Cpd×Vcc2×FI×NswI | Cpd——耗散电容;FI——输入信号频率;NswI——同时变化的输入端口数 |
容性负载功耗计算 | P L = C L × V c c 2 × F O × N s w O P_L=C_L\times Vcc^2\times F_O\times N_{swO} PL=CL×Vcc2×FO×NswO | CL——外部容性负载;FO——输出信号频率;NswO——同时变化输出端口数 |
LVDS输入端保护电路 | V I D = R t × V C C / ( R 1 + R 2 + R t ) V_{ID}=R_t\times V_{CC}/(R_1+R_2+R_t) VID=Rt×VCC/(R1+R2+Rt) V O S = ( R 2 + 1 2 R t ) × V C C / ( R 1 + R 2 + R t ) V_{OS}=(R_2+\frac 12R_t)\times V_{CC}/(R_1+R_2+R_t) VOS=(R2+21Rt)×VCC/(R1+R2+Rt) | VID——输入悬空时,正负极间的偏置电平,即可以提供的噪声冗余;VOS——输出共模电平,一般取中间值1.25V |
LVPECL偏置电平分压电路 | V C C × R 2 R 1 + R 2 = V C C − 2 V_{CC}\times \frac {R_2}{R_1+R_2}=V_{CC}-2 VCC×R1+R2R2=VCC−2 R 1 / / R 2 = 50 R_1//R_2=50 R1//R2=50 | VCC=3.3V时,R1=130Ω,R2=82Ω |
LVDS与LVPECL直流耦合 | V C C × R 1 / ( R 1 + R 2 + R 3 ) = 1.2 V V_{CC}\times R_1/(R_1+R_2+R_3)=1.2V VCC×R1/(R1+R2+R3)=1.2V V C C × ( R 2 + R 3 ) / ( R 1 + R 2 + R 3 ) = V C C − 1.3 V V_{CC}\times (R_2+R_3)/(R_1+R_2+R_3)=V_{CC}-1.3V VCC×(R2+R3)/(R1+R2+R3)=VCC−1.3V R 3 / / ( R 1 + R 2 ) / / 62 = 50 R_3//(R_1+R_2)//62=50 R3//(R1+R2)//62=50 $ | V_{OD} |
环境温度和结温的关系 | T J = T A + P T O T × R t h ( J A ) T_J=T_A+P_{TOT}\times R_{th}(JA) TJ=TA+PTOT×Rth(JA) | TA——环境温度;TJ——结温;PTOT——总功耗;Rth(JA)——热阻 |
电源纹波测量方法 | 限制示波器带宽为 20MHz,将时基设定为每格 1μs,修改垂直偏置以将电压波形显示在示波器屏幕的中央,波形的显示采用余辉模式,触发方式设置为边沿触发 | 使用示波器对噪声的测量方法:不限制示波器带宽,其他方面与纹波测量方法相同 |
内外层走线单位延时 | 外层走线单位延时约为140ps/in;内层走线单位延时约为180ps/in | 信号传输延时Tflight=单位延时X走线长度 |
源同步系统时序计算 | TCO(max)+(Tflight-data-Tflight-clk)max+TSU(min)+CJIT+DCTLK TCO(min)+(Tflight-data-Tflight-clk)min-CJIT-DCTLK>TH(min) |
Tflight-data-Tflight-clk可以为正也可以为负 |
时间窗法时序计算 | TSU(TX)+TH(TX)-TSU(RX)-TH(RX)=TSU(margin)+TH(margin) | 需要发送端器件提供建立时间和保持时间,一般令接收端建立和保持时间裕量相等,来控制信号线和数据线间的延时 |
晶体Trim电容计算 | C e = 2 × C L − ( C s + C i ) C_e=2\times C_L-(C_s+C_i) Ce=2×CL−(Cs+Ci) | Ce——外部Trim电容;CL——晶体容性负载;Cs——引线电容;Ci——引脚电容 |
信号反射系数 | ρ = ( Z 2 − Z 1 ) / ( Z 2 + Z 1 ) \rho=(Z_2-Z_1)/(Z_2+Z_1) ρ=(Z2−Z1)/(Z2+Z1) | Z2——反射点之后的线路阻抗;Z1——反射点之前的线路阻抗 |
3W原则 | 两相邻信号线的中心距不少于信号线宽度的3倍 | 对相邻层的信号也同样适用 |
通流能力计算 | I m a x = K ⋅ T 0.44 ⋅ A 0.725 I_{max}=K\cdot T^{0.44}\cdot A^{0.725} Imax=K⋅T0.44⋅A0.725 | K——降额参数,内层取0.024,外层取0.048;T——最大容许温深;A——横截面积 |
20H原则 | 电源相对地层内缩20H | H——电源层到最近地层的材质厚度 |
3H原则 | 信号线走线距离参考平面的边界应达到3H | H——信号层到参考层的材质厚度 |
差模辐射场强公式 | E = k × ( F 2 × A × I ) × s i n θ / R E=k\times(F^2\times A\times I)\times sin\theta/R E=k×(F2×A×I)×sinθ/R | k——差模辐射常量;F——有效频率;A——电流环路面积;I——电流;R——测试点距离环路距离; θ \theta θ——测量点与环路构成的角度 |
共模辐射场强公式 | E = k × ( F × L × I ) / R E=k\times(F\times L\times I)/R E=k×(F×L×I)/R | k——共模辐射常量;L——共模电流路径长度 |