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        高速PCB中偏移源的分析與解決方法

        當我第一次學習數字電子學時,電子學中的眼圖是一個謎。這個簡單的圖表如何告訴您如何關注一個設備的性能?直到我開始設計自己的系統,直到我開始意識到眼圖的重要性。

        高速數字設備中的信號同步依賴于來自數字IC的精確切換測量。有許多因素會影響信號切換時間,而錯誤的估算會增加設備的誤碼率。在沒有冗余的設備中,較高的誤碼率可能會使PCB停止運行。

        信號上升/下降時間和偏斜

        數字IC有一些輸出電容和特性阻抗,在開關狀態之間切換時產生延遲。信號的上升和下降時間通常近似為線性,但實際的上升和下降時間是指數的,類似于在簡單的RC串聯電路中測量的值。

        這種線性近似適用于較低的開關速度,其中開關周期比與上升/下降時間相關的等效時間常數長得多。線性近似傾向于低估切換時間。另一個近似值是將開關速度設置為在導通狀態的低端和關閉狀態的高端之間轉換所需的時間。

        不幸的是,這兩種近似都可能低估了適當的上升/數字信號的下降時間。這在選擇合適的開關速度和同步信號網時會產生問題。

        信號切換的效果和它產生的偏斜是雙重的。首先,它導致通過連續IC傳輸的信號的到達時間誤差。不同的IC可以產生略微不同的輸出脈沖形狀,并且輸出脈沖可以根據精確的數字脈沖流而改變。這會在信號之間產生不同的參考時間,這會在設計器同步高速電路時產生問題。

        其次,切換期間的指數上升和下降時間會導致輸出電壓落在噪聲中保證金或未定義的區域。如果嘗試以與有效RC時間常數類似的數據速率驅動PCB,則會增加誤碼率。

        SMD集成電路

        在數據速率高于~100 Mbps時,應通過在PCB中使用轉發或嵌入式時鐘來降低偏差。在大多數高速設計中,信號以差分對路由,以減少串擾。這需要在差分信號網中的跡線對的正腿和負腿之間進行精確的偏斜補償。在信號衰減成為主要問題之前,Gbps數據速率或更高的數據速率可能只允許幾皮秒的偏斜。

        電路板基板和寄生電容的影響

        通過考慮浮在真空中的導電跡線,簡單模擬可以考慮數字信號的偏差。更好的模擬將考慮襯底的存在,這會在相鄰導體之間產生寄生電容。該寄生電容可以被視為并聯電容器,這增加了給定跡線的總電容。這會增加有效RC時間常數并加劇偏斜。

        隨著互連密度的增加,寄生電容僅會進一步增加。這些電路在跡線之間具有更緊密的間隔,導致更高的寄生電容。需要適當調整走線寬度,以確保在設計過程中跡線可以適當地阻抗匹配。

        在多層PCB中,PCB基板中的環氧樹脂和玻璃編織也會對歪斜產生影響。由于PCB制造限制,編織圖案幾乎不會與每條跡線對齊。相反,編織和軌跡將在它們之間以一定角度排列,并且該角度將通過產生相位延遲來影響偏斜。編織圖案和跡線之間的橫向偏移也會影響偏斜。

        在時域中,這會影響給定跡線中信號的傳播延遲。在這些情況下的偏斜通常以ps/英寸為單位量化。較長的跡線將累積較大的偏斜,并且對于中等長度的跡線,該偏斜可以達到幾皮秒。這極大地增加了以Gbps運行的設備中信號劣化的可能性。高速層壓板通常用于補償多層PCB中的這些信號劣化問題。

        不匹配的跡線在PCB上

        由于長度或傳播延遲不匹配導致的時序偏移通常由曲折跡線補償。具有不匹配的跡線長度的信號網可以使所有跡線長度與網絡中的最長跡線匹配。曲線需要添加到較短的跡線中以增加其長度。

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