关于高速电路板的抗干扰设计
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6 结束语
高速电路板的抗干扰问题比低频电路复杂得 多 ,噪声干扰源不仅来自于系统外部 ,而且也产生 于系统内部 。在低频时元器件的寄生电容 、电感 和电阻忽略不计 ,但在高频条件下就必需考虑。 设计高速系统不仅需要对高速的元器件应当有深 入的了解 ,还需要对干扰源的主要性质 ,进行综合 处理 。电源层的使用是高速电路的重要特征 ,它 是消除系统内外干扰的重要技术手段 。信号线的 反射往往是由不连续的断点形成的 ,在设计中要 注意线路的急剧弯曲点 、线头和端子的处理 。在 电路板中的切口处 ,应避免信号回输造成的较大 电流环 ,还要为电流提供通过切割面的路径 。对 噪声非常敏感的部件 ,要采用隔离的方法处理 。
3 信号线的传输
为保证信号的稳定传输 ,在高速电路中常使 用受控阻抗线 。这种信号线充分利用了信号回输 的自然取向 ,通过控制信号线与地之间的关系 ,实 现了最小的路径阻抗 。受控阻抗线往往是由带状 线和微带线来实现的 ,带状线将它的信号线夹在 两层电源层之间 ,虽然信号线在上下两个方面得 到了保护 ,但是隐藏的信号线不容易被接近 。微 带线的信号线在电路板的外层 ,接地层只在电路 板的一侧 ,这种信号线比较容易联接 。 3. 1 不连续点
高速电路电源网络设计的另一个重点是如何 消除在信号切换时系统中产生的尖峰脉冲 ,解决 这个问题的有效办法就是给电流安排一个闭合回 路 ,这个回路需要由地或输入电压 Vcc构成完整 的电流环 。如果电流环的尺寸偏大 ,则可能产生 振铃 、串扰或电磁波干扰 。只要将电流环的尺寸 尽量减小 ,干扰问题就能基本得到解决 。电流环 还有一个重要作用 ,就是它可以帮助吸收信号线 上的高速噪声 。在高速的信号线上由于自感应的 作用 ,电路中的感抗增加了 ,很容易造成噪声干 扰 。当电流环与信号线尽可能接近的时候 ,电源 层上或下的金属层就能够吸收信号线中的自感应 电流 ,这样信号线产生的高速噪声就得到了抑制 。 电源总线往往被迫要形成很大的电流环 ,这属于 结构性的噪声源 。而电源层的电流环总是按照最 小的阻抗选择路径 ,并且能够自然形成最小的电 流环 。当然 ,尽管电源层有系统阻抗小 、电流环小 等许多优点 ,但是它的设计制造比电源总线复杂 得多 ,在速度不太高的系统中电源总线还是普遍 使用的 。
第 24 卷第 4 期 刘战民 :关于高速电路板的抗干扰设计 23
时保护外部电源的供电品质不被瞬变电压所破 坏。
铁氧体阻抗抑制器是将镍 、锌 、锰和其他一些 化合物通过一种陶制工艺生产而成 。通常将导体 穿入其孔中 ,它能够提高连续导线或电缆的磁感 应系数 ,从而抑制了高频噪声[2] 。它的主要优点 是 ,滤波频率低于 100 kHz 、直流阻抗低 、直流饱和 电流高 、方便安装和成本低 。但是它的性能参数 是由内部材料结构和外形决定的 ,理论上分析困 难 ,所以在选择中要注意它实际的工作频率范围 、 温度与阻抗的曲线关系 、直流饱和参数等 。
2 电源布线
要研究某个高速多层 PCB 电路板的抗干扰 问题 ,首先要解决供电电源的品质 ,高品质的电源 配送是高速电路板抗干扰的基本平台 。电源网络 的布线主要有 2 种方案 :电源总线和电源层 。电 源总线是由一簇跟踪引线构成的系统 ,它向各 IC 芯片提供所需的电源 。电源层是由多片完整的金 属平面构成的系统 ,它分为数字电源层 (数字接地 层及数字电压层) 和模拟电源层 (模拟接地层及模 拟电压层) 。将电源层分开的目的 ,是为了防止数 字电路对敏感的模拟电路产生干扰[1] 。数字接地 层和模拟接地层的电路板覆盖面积一般都高于 75 % ,在金属层上那些仅有的空隙是为了通过 IC 芯片脚和传输信号 。为保证电流的回路 ,电源层 上没有岛屿状的孤立片段存在 。为了防止意外的 电压突变 ,在数字接地层和模拟接地层之间联接 了 一 对 互 为 反 向 的 肖 特 基 二 极 管 ( Schottky
diodes) ,图 1 中表示的是联接数字电源层与模拟 电源层的星型接地系统 。
由于电路网络中的阻抗是产生噪声信号电压 的根本原因 ,所以设计的目标就是尽量缩小电源 网络线路的阻抗 。电源总线的连接线只可能是细 长型的导线簇 ,其线路网络的阻抗比较大 。并且 只要其中某一点产生噪声干扰 ,就能形成对系统 各个部分的干扰 。在电源层供电系统中 ,电流的 路径是不受限制的 ,它为电流提供了最小的阻抗 , 分散了干扰电流 。
在处理 EMI/ RFI 时 ,要特别注意电路中的 3 个耦合点 :信号输入 、信号输出和电源供给 ,在模 拟和数字 IC 的所有电源脚上应该使用 0. 1μF 的 陶瓷电容滤波 ,要对所有与电路板分离的导线及 所有不是地线的基准电压使用高频滤波手段 。还 要尽可能使用电源层 ,自然形成极小的电流环 ,消 除天线的作用 。
陶瓷电容 0. 1
50 0. 12 (1 MHz) ≡1 GHz
线路滤波器由电容和电感构成 ,主要是通过 感抗和容抗来滤除外部电源线的高频噪声 。它将 电源内部系统与外部隔离开来 ,并且可以双向发 挥作用 ,不仅能防止系统外部的噪声输入到下一 级的设备或电路板上 ,而且也能在内部电源切换
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optireserved.
应该避免使用这种线头和端子 。 3. 2 线路噪声的滤除
除了使 用 电 源 层 和 控 制 不 连 续 点 的 方 法 以 外 ,消除线路噪声还采用滤波的方法 。主要有电 容滤波 、线路滤波器和电磁环滤波 。
使用电容滤波时 ,要考虑寄生等效串联电阻 ( ESR) 和寄生等效串联电感 ( ESL) 的影响 ,参见表 1 所示的滤波电容选择表 。一般说来 ,在电源输 入与电路板之间应当使用 1～10μF 的电容滤波 , 这是为了滤除 50 Hz 的低频干扰 。而在电路板上 经常有 100 MHz 以上的噪声干扰 ,所以在每个 IC 芯片的电源与地之间应该使用 0. 01～0. 1 μF 的 电容滤波 。这里要注意两点 :首先应当选择寄生 等效串联电阻 ( ESR) 和寄生等效串联电感 ( ESL) 小的高品质电容器 。其次要注意电容器两端的引 线要尽可能的短 ,并且引线的长度相同 。
4 串 扰
串扰是信号之间的有害联接 ,它分电容串扰 和电感串扰 2 种方式 。串扰能够对电源和负载造 成信号反射 ,干扰整个系统的正常工作 。电容性 串扰涉及到有 2 条以上的信号线的耦合电容 ,它 发生在线路之间彼此接近的一些距离之间 。信号 线的耦合电容又分噪声源信号线和噪声接收器信 号线 ,由于噪声源信号线和噪声接收器信号线的 距离很近 ,电流能够从噪声源信号线注入到噪声 接收器信号线中 ,形成电容串扰 。电感串扰可以 理解为一个不必要的变压器的初级和次级参与了 系统 ,这个变压器的初级和次级电流环可能是由 于电路设计不当或是电路本身造成的 ,噪声干扰 是在次级电流环上产生并传播的 。
第 24 卷 第 4 期 武汉理工大学学报·信息与管理工程版 Vol. 24 No. 4 2002 年 8 月 JOURNAL OF WUT ( INFORMATION &MANAGEMENT ENGINEERING) Aug. 2002
5 电磁干扰
件下 ,设备将更容易被干扰 ,EMI 的作用就不可忽 视了 。尤其是射频 ( RF) 区域内的模拟电路非常 敏感 ,因为模拟电路的增益很高 ,完全能分辨出毫 伏级和微伏级的干扰信号 。数字电路对 RFI 的 “免疫力”要强一些 ,它的信号振幅与干扰信号之 间存在着差额 。
电缆或无终端接头的传输线可以变成被动的 天线接收器 ,也可以成为有效的干扰源 。这个天 线的性质是它的长度 、横截面积 、所在环境和频率 的函数 。开放的电子附件可以表现为天线的发射 环 ,由此 EMI 可以影响内部的电子系统 。在射频 (RF) 区域内 ,RFI 通过信号线输入端 、电容/ 电感 耦合路径或输入电压 Vcc 进入模拟电路的输入 端 ,经过电路检测和放大后 ,结果就输出了不知名 的偏移畸变 。
所有的电容串扰和电感串扰都与线路中的负 载阻抗有关 ,因此必须限制全部受串扰影响的线 路中的阻抗 ,使其尽可能地小 。通过分散信号线 之间的排布 ,减小导线之间可能形成的电容量 ,抑 制电容串扰产生 。用与接地层相连的地线族分割 信号线 ,其间距为 6. 35 mm ,可以有效地分离和减 少耦合电容的串扰 。为了解决电感串扰 ,信号回 输线不应共享同一条路径 。同时电流环的尺寸应 该被尽可能地缩小 ,如有可能 ,电流环应该被打开 或是除去 。
1 前 言
现在使用高频速度微处理器系统越来越普遍 了 ,这类系统一般都采取高速电路板 (高速多层 PCB) 设计 。在高速电路板的工程设计中 ,首先遇 到噪声干扰问题 。噪声干扰有来自系统外部的 , 如无线电干扰 、静电干扰和供电干扰等 ;也有的产 生于系统内部 ,比如在高频条件下由元器件或线 路本身产生的噪声 。噪声干扰能在系统中发散并 产生对应的速度脉冲 ,它是导致回响声 、重影和串 扰的主要原因 。如果不对噪声干扰加以抑制 ,这 种干扰将严重降低系统的性能 。
文章编号 :1007 - 144X(2002) 04 - 0021 - 04
关于高速电路板的抗干扰设计
刘战民
(武汉天工高科技有限公司 ,湖北 武汉 430079)
摘 要 :从电源布线 、信号线传输 、串扰和电磁干扰等角度定性分析了高速电路板设计中的噪声干扰问题 ;对 噪声干扰产生的主要原因及解决方案进行了讨论 ;提出了在设计高速电路板时应遵循一些基本要求 。针对高 速电路板的主要特点 ,介绍了高速电路板设计所采用的主要技术手段和注意事项 。 关键词 :噪声干扰 ;电源层 ;不连续点 ;串扰 ;电磁干扰 中图法分类号 :TN 973. 4 文献标识码 :A
收稿日期 :2002 - 04 - 03. 作者简介 :刘战民 (1959 - ) ,男 ,河北无极人 ,武汉天工高科技有限公司工程师.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
高速电路板的抗干扰问题比低频电路复杂得 多 ,噪声干扰源不仅来自于系统外部 ,而且也产生 于系统内部 。在低频时元器件的寄生电容 、电感 和电阻忽略不计 ,但在高频条件下就必需考虑。 设计高速系统不仅需要对高速的元器件应当有深 入的了解 ,还需要对干扰源的主要性质 ,进行综合 处理 。电源层的使用是高速电路的重要特征 ,它 是消除系统内外干扰的重要技术手段 。信号线的 反射往往是由不连续的断点形成的 ,在设计中要 注意线路的急剧弯曲点 、线头和端子的处理 。在 电路板中的切口处 ,应避免信号回输造成的较大 电流环 ,还要为电流提供通过切割面的路径 。对 噪声非常敏感的部件 ,要采用隔离的方法处理 。
3 信号线的传输
为保证信号的稳定传输 ,在高速电路中常使 用受控阻抗线 。这种信号线充分利用了信号回输 的自然取向 ,通过控制信号线与地之间的关系 ,实 现了最小的路径阻抗 。受控阻抗线往往是由带状 线和微带线来实现的 ,带状线将它的信号线夹在 两层电源层之间 ,虽然信号线在上下两个方面得 到了保护 ,但是隐藏的信号线不容易被接近 。微 带线的信号线在电路板的外层 ,接地层只在电路 板的一侧 ,这种信号线比较容易联接 。 3. 1 不连续点
高速电路电源网络设计的另一个重点是如何 消除在信号切换时系统中产生的尖峰脉冲 ,解决 这个问题的有效办法就是给电流安排一个闭合回 路 ,这个回路需要由地或输入电压 Vcc构成完整 的电流环 。如果电流环的尺寸偏大 ,则可能产生 振铃 、串扰或电磁波干扰 。只要将电流环的尺寸 尽量减小 ,干扰问题就能基本得到解决 。电流环 还有一个重要作用 ,就是它可以帮助吸收信号线 上的高速噪声 。在高速的信号线上由于自感应的 作用 ,电路中的感抗增加了 ,很容易造成噪声干 扰 。当电流环与信号线尽可能接近的时候 ,电源 层上或下的金属层就能够吸收信号线中的自感应 电流 ,这样信号线产生的高速噪声就得到了抑制 。 电源总线往往被迫要形成很大的电流环 ,这属于 结构性的噪声源 。而电源层的电流环总是按照最 小的阻抗选择路径 ,并且能够自然形成最小的电 流环 。当然 ,尽管电源层有系统阻抗小 、电流环小 等许多优点 ,但是它的设计制造比电源总线复杂 得多 ,在速度不太高的系统中电源总线还是普遍 使用的 。
第 24 卷第 4 期 刘战民 :关于高速电路板的抗干扰设计 23
时保护外部电源的供电品质不被瞬变电压所破 坏。
铁氧体阻抗抑制器是将镍 、锌 、锰和其他一些 化合物通过一种陶制工艺生产而成 。通常将导体 穿入其孔中 ,它能够提高连续导线或电缆的磁感 应系数 ,从而抑制了高频噪声[2] 。它的主要优点 是 ,滤波频率低于 100 kHz 、直流阻抗低 、直流饱和 电流高 、方便安装和成本低 。但是它的性能参数 是由内部材料结构和外形决定的 ,理论上分析困 难 ,所以在选择中要注意它实际的工作频率范围 、 温度与阻抗的曲线关系 、直流饱和参数等 。
2 电源布线
要研究某个高速多层 PCB 电路板的抗干扰 问题 ,首先要解决供电电源的品质 ,高品质的电源 配送是高速电路板抗干扰的基本平台 。电源网络 的布线主要有 2 种方案 :电源总线和电源层 。电 源总线是由一簇跟踪引线构成的系统 ,它向各 IC 芯片提供所需的电源 。电源层是由多片完整的金 属平面构成的系统 ,它分为数字电源层 (数字接地 层及数字电压层) 和模拟电源层 (模拟接地层及模 拟电压层) 。将电源层分开的目的 ,是为了防止数 字电路对敏感的模拟电路产生干扰[1] 。数字接地 层和模拟接地层的电路板覆盖面积一般都高于 75 % ,在金属层上那些仅有的空隙是为了通过 IC 芯片脚和传输信号 。为保证电流的回路 ,电源层 上没有岛屿状的孤立片段存在 。为了防止意外的 电压突变 ,在数字接地层和模拟接地层之间联接 了 一 对 互 为 反 向 的 肖 特 基 二 极 管 ( Schottky
diodes) ,图 1 中表示的是联接数字电源层与模拟 电源层的星型接地系统 。
由于电路网络中的阻抗是产生噪声信号电压 的根本原因 ,所以设计的目标就是尽量缩小电源 网络线路的阻抗 。电源总线的连接线只可能是细 长型的导线簇 ,其线路网络的阻抗比较大 。并且 只要其中某一点产生噪声干扰 ,就能形成对系统 各个部分的干扰 。在电源层供电系统中 ,电流的 路径是不受限制的 ,它为电流提供了最小的阻抗 , 分散了干扰电流 。
在处理 EMI/ RFI 时 ,要特别注意电路中的 3 个耦合点 :信号输入 、信号输出和电源供给 ,在模 拟和数字 IC 的所有电源脚上应该使用 0. 1μF 的 陶瓷电容滤波 ,要对所有与电路板分离的导线及 所有不是地线的基准电压使用高频滤波手段 。还 要尽可能使用电源层 ,自然形成极小的电流环 ,消 除天线的作用 。
陶瓷电容 0. 1
50 0. 12 (1 MHz) ≡1 GHz
线路滤波器由电容和电感构成 ,主要是通过 感抗和容抗来滤除外部电源线的高频噪声 。它将 电源内部系统与外部隔离开来 ,并且可以双向发 挥作用 ,不仅能防止系统外部的噪声输入到下一 级的设备或电路板上 ,而且也能在内部电源切换
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optireserved.
应该避免使用这种线头和端子 。 3. 2 线路噪声的滤除
除了使 用 电 源 层 和 控 制 不 连 续 点 的 方 法 以 外 ,消除线路噪声还采用滤波的方法 。主要有电 容滤波 、线路滤波器和电磁环滤波 。
使用电容滤波时 ,要考虑寄生等效串联电阻 ( ESR) 和寄生等效串联电感 ( ESL) 的影响 ,参见表 1 所示的滤波电容选择表 。一般说来 ,在电源输 入与电路板之间应当使用 1～10μF 的电容滤波 , 这是为了滤除 50 Hz 的低频干扰 。而在电路板上 经常有 100 MHz 以上的噪声干扰 ,所以在每个 IC 芯片的电源与地之间应该使用 0. 01～0. 1 μF 的 电容滤波 。这里要注意两点 :首先应当选择寄生 等效串联电阻 ( ESR) 和寄生等效串联电感 ( ESL) 小的高品质电容器 。其次要注意电容器两端的引 线要尽可能的短 ,并且引线的长度相同 。
4 串 扰
串扰是信号之间的有害联接 ,它分电容串扰 和电感串扰 2 种方式 。串扰能够对电源和负载造 成信号反射 ,干扰整个系统的正常工作 。电容性 串扰涉及到有 2 条以上的信号线的耦合电容 ,它 发生在线路之间彼此接近的一些距离之间 。信号 线的耦合电容又分噪声源信号线和噪声接收器信 号线 ,由于噪声源信号线和噪声接收器信号线的 距离很近 ,电流能够从噪声源信号线注入到噪声 接收器信号线中 ,形成电容串扰 。电感串扰可以 理解为一个不必要的变压器的初级和次级参与了 系统 ,这个变压器的初级和次级电流环可能是由 于电路设计不当或是电路本身造成的 ,噪声干扰 是在次级电流环上产生并传播的 。
第 24 卷 第 4 期 武汉理工大学学报·信息与管理工程版 Vol. 24 No. 4 2002 年 8 月 JOURNAL OF WUT ( INFORMATION &MANAGEMENT ENGINEERING) Aug. 2002
5 电磁干扰
件下 ,设备将更容易被干扰 ,EMI 的作用就不可忽 视了 。尤其是射频 ( RF) 区域内的模拟电路非常 敏感 ,因为模拟电路的增益很高 ,完全能分辨出毫 伏级和微伏级的干扰信号 。数字电路对 RFI 的 “免疫力”要强一些 ,它的信号振幅与干扰信号之 间存在着差额 。
电缆或无终端接头的传输线可以变成被动的 天线接收器 ,也可以成为有效的干扰源 。这个天 线的性质是它的长度 、横截面积 、所在环境和频率 的函数 。开放的电子附件可以表现为天线的发射 环 ,由此 EMI 可以影响内部的电子系统 。在射频 (RF) 区域内 ,RFI 通过信号线输入端 、电容/ 电感 耦合路径或输入电压 Vcc 进入模拟电路的输入 端 ,经过电路检测和放大后 ,结果就输出了不知名 的偏移畸变 。
所有的电容串扰和电感串扰都与线路中的负 载阻抗有关 ,因此必须限制全部受串扰影响的线 路中的阻抗 ,使其尽可能地小 。通过分散信号线 之间的排布 ,减小导线之间可能形成的电容量 ,抑 制电容串扰产生 。用与接地层相连的地线族分割 信号线 ,其间距为 6. 35 mm ,可以有效地分离和减 少耦合电容的串扰 。为了解决电感串扰 ,信号回 输线不应共享同一条路径 。同时电流环的尺寸应 该被尽可能地缩小 ,如有可能 ,电流环应该被打开 或是除去 。
1 前 言
现在使用高频速度微处理器系统越来越普遍 了 ,这类系统一般都采取高速电路板 (高速多层 PCB) 设计 。在高速电路板的工程设计中 ,首先遇 到噪声干扰问题 。噪声干扰有来自系统外部的 , 如无线电干扰 、静电干扰和供电干扰等 ;也有的产 生于系统内部 ,比如在高频条件下由元器件或线 路本身产生的噪声 。噪声干扰能在系统中发散并 产生对应的速度脉冲 ,它是导致回响声 、重影和串 扰的主要原因 。如果不对噪声干扰加以抑制 ,这 种干扰将严重降低系统的性能 。
文章编号 :1007 - 144X(2002) 04 - 0021 - 04
关于高速电路板的抗干扰设计
刘战民
(武汉天工高科技有限公司 ,湖北 武汉 430079)
摘 要 :从电源布线 、信号线传输 、串扰和电磁干扰等角度定性分析了高速电路板设计中的噪声干扰问题 ;对 噪声干扰产生的主要原因及解决方案进行了讨论 ;提出了在设计高速电路板时应遵循一些基本要求 。针对高 速电路板的主要特点 ,介绍了高速电路板设计所采用的主要技术手段和注意事项 。 关键词 :噪声干扰 ;电源层 ;不连续点 ;串扰 ;电磁干扰 中图法分类号 :TN 973. 4 文献标识码 :A
收稿日期 :2002 - 04 - 03. 作者简介 :刘战民 (1959 - ) ,男 ,河北无极人 ,武汉天工高科技有限公司工程师.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
