066月 2019

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成功進行射頻與模擬混合信號PCB設計需要考慮的因素

今天,老wu打算再次分享Optimum Design Associates的大神Scott Nance關于《RF & Analog Mixed Signal PCB Design Seminar》研討會視頻。

為什么說再次?因為老wu的博客網站http://www.qjhrpq.tw在2016年時分享過該視頻,當時視頻上傳到了樂視網盤,對!你沒看錯!是樂視,當時假老板牛啤吹得辣么猛,誰能想到他會刪庫跑路咯,結果就是這么優秀的視頻就觀看不到啦。

前幾天剛好遇到百度云盤故障,為了保險起見,老wu重新整理了下家里的NAS備份數據,又翻出了這份經典的視頻,現在分享到公眾號里頭,有興趣的同學可以看一下。

視頻是英文的,老wu大概整理了一下相關的概念。

頻率、幅值和相位是信號的三要素。

在同一PCB內同時布有較高阻抗的模擬信號和數字信號可能引起意外串擾,該串擾給模擬信號帶來過大的噪聲。

具有快速上升和下降時間的數字信號對高阻抗的模擬信號路徑產生影響是最常見的串擾現象。

通常為了通過電路傳輸信息,總是需要一定量的電流,即使是非常小的電流。隨后,電流周圍便產生了磁場。當電流隨著信息而發生變化時,會向周圍輻射電磁電波,從而便產生了噪聲。

隨著信息量的增加,通過信號線的電流頻率也隨之增加,或可能需要更多的信號線。通常,電流頻率越高,或信號線數量越多,輻射的電磁波強度就越大。因此,電子設備的性能越高、處理的信息量越大、電子設備中所使用的信號線越多,就越容易產生噪聲干擾。

傳輸信息的電路大致可分為模擬電路和數字電路,分別使用模擬信號和數字信號。從電路噪聲的角度出發對其一般特性做如下說明。

當模擬電路為噪聲源時,一般產生的噪聲較少,因為模擬電路使用有限頻率,并采用控制電流流動的設計情況較多。

但如果有能量外泄,則仍會產生噪聲干擾。例如,電視和廣播接收器采用一個具有恒定頻率的信號,此頻率稱為本地震蕩頻率,以便從天線接收的無線電波中有選擇地放大目標頻率。如果此頻率泄漏到外部,則可能對其他設備產生干擾。為了防止發生此情況,調諧器部分會被屏蔽,或在線路中使用EMI靜噪濾波器。

相比之下,從噪聲受害方考慮,由于模擬電路經常處理微弱信號,哪怕微小的波動信息都會受到影響,電路往往容易成為噪聲受害方。例如,如果噪聲進入音頻放大電路的第一級(從麥克風進入等),揚聲器會檢測到噪聲并進行放大,從而產生很響的噪聲。為了防止發生此情況,高靈敏音頻放大器會被屏蔽,或在線路中使用EMI靜噪濾波器。

把數字電路作為噪聲源來看,由于在很短的時間內會發生0與1信號電平之間的轉換,其中包含了極寬范圍的頻率成分,因此數字電路很可能成為噪聲源。為了防止發射出噪聲,因此在數字信號中使用了屏蔽和EMI靜噪濾波器。

但把數字電路作為噪聲受害方來看,只有0和1兩種狀態(之間沒有其他狀態)來表示信號,且具有相對較大的幅值。另外,即使有微弱的感應也不會影響信息,因此不太會成為噪聲受害方。但如果達到很高電平噪聲,則即使只有一瞬間,數據也會發生完全改變。因此,其對于靜電放電之類的脈沖噪聲是一個弱點。(靜電放電也簡稱為ESD)

Dielectric loss

介質損耗是指電介質在交變電場中,由于消耗部分電能而使電介質本身發熱的現象。原因:電介質中含有能導電的載流子,在外加電場作用下,產生導電電流,消耗掉一部分電能,轉為熱能。PCB 材料需要較低的介電損耗正切以確保低損耗的數字信號傳輸。

Return Loss 回波損耗,電磁波反射波大小和入射波大小的比例。

VSWR電壓駐波比

波傳遞從甲介質傳導到乙介質,會由于介質不同,波的能量會有一部分被反射,這種被反射的波稱為駐波,這是基本的物理原理,在電磁波有同樣的特性,電波在甲元件傳導到乙元件,由于阻抗特性的不同,一部分電磁波的能量被反射回來,我們常稱此現象為阻抗不匹配

在傳輸線上,藉由來至發射端的波與來至負載的反射波的干涉,產生駐波,駐波的大小是傳輸線上的電壓最大和最小值的比值,理想的比例為1:1 (表示沒有任何反射功率產生),即輸入阻抗相等于傳輸線的特性阻抗,但幾乎不可能達到。

為何要阻抗匹配?

? 在傳輸中獲的最大的功率或效率。
? 保證系統具有正確的傳輸特性。 (例如 LC 濾波器需要匹配負載)
? 提高信噪比(降低噪聲系數) 。
? 減少由于反射引起的信號失真。
? 確保電路穩定。
? 為各模組與設備之間提供方便、可靠的連接。

為何低頻信號不需要匹配?

? 從波長與元件/傳輸線尺寸的關系來看,信號在傳輸過程中的相位與振幅近似不變。
? 從周期與傳輸時間上看,雖然反射仍然存在,但在信號的有效周期內將會衰減到可以忽略。

低頻信號波長>元件尺寸;高頻信號波長<元件尺寸。另外,VSWR 又可轉換成另一項射頻參數叫S 參數里的S11,這項參數被稱為回波損耗(Return Loss) 為傳輸功率&反射功率的比值(單位dB),跟VSWR 是同概念,一般(傳輸)VSWR 在1.4:1 以內都不錯。趨膚效應 Skin Effect

在長直導體的截面上,恒定的電流是均勻分布的。對于交變電流,導體中出現自感電動勢抵抗電流的通過。這個電動勢的大小正比于導體單位時間所切割的磁通量。以圓形截面的導體為例,愈靠近導體中心處,受到外面磁力線產生的自感電動勢愈大;愈靠近表面處則不受其內部磁力線消長的影響,因而自感電動勢較小。這就導致趨近導體表面處電流密度較大。由于自感電動勢隨著頻率的提高而增加,趨膚效應亦隨著頻率提高而更為顯著。當頻率很高的電流通過導線時,可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過,這等效于導線的截面減小,電阻增大,大大降低了導體材料的有效利用率。

趨膚深度 Skin Depth

由趨膚效應,我們不難聯想到另一概念—趨膚深度。工程上定義從導體表面到電流密度下降到導體表面電流密度的0.368(即1/e)的厚度為趨膚深度或穿透深度△,即認為導體表面下深度為△的厚度導體流過導線的全部電流,而在△層以外的導體完全不流過電流(在不規則導體中,考慮趨膚深度以最窄邊為準)。 △與頻率f(w)和導線物理性能的關系為:

對于像銅這樣的優良導體,其電導率極高,所以隨著頻率升高,很快就表現出明顯的趨膚效應。頻率在6MHz多一點時趨膚深度近似1mil,大概在55MHz左右的時候趨膚深度約0.35mil,1GHz時約0.1mil。從這些數據看,趨膚效應必然對高速信號產生很大影響。

通常在PCB基材加工過程中,銅箔表面會進行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結合力。但粗糙的銅箔表面會導致更高的導體損耗,且隨著頻率的升高導體損耗將顯著增加,這是由于電路的趨膚效應導致的。一般來說,當電路工作頻率對應的趨膚深度小于或等于銅箔的表面粗糙度時,表面粗糙度的影響將變得非常顯著。在毫米波頻段,趨膚深度通常小于銅箔的表面粗糙度,如50GHz時的趨膚深度為0.30um。

減小電流環路

當存在一個磁場時,一個由導電材料形成的環路充當了天線,并且把磁場轉換為圍繞環路流動的電流。電流的強度與閉合環路的面積成正比。較小面積的環路中通過的磁通量也少,感應出的電流也較小,因此環路面積必須最小。保持信號路徑和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地線環路,避免出現潛在的天線環。每根信號最好能做到與地的回流路徑最短,回路面積越小,信號的抗干擾能力越強,對外的EMI也達到最小。敏感信號用地包住,這樣包地即提供了信號最短回流路徑,也能消除與其它相鄰信號的干擾。比如時鐘信號,高頻信號等,在PCB設計時進行包地處理,并打些地孔,可有效降低EMI。

Faraday Cage shields

通過在信號源和受影響節點之間放置導電且接地的屏蔽體(稱為“法拉第屏蔽 體或者屏蔽罩”),可將位移電流直接路由至地,從而消除這種噪聲。

使用此類屏蔽體時,值得注意的是,法拉第屏蔽體必須接地,這點非常重要。屏蔽體浮動 或開路無一例外都會導致容性耦合噪聲增加。

旁路與去耦電容,可以參考老wu之前分享的這篇文章:
http://www.qjhrpq.tw/mt-101-tutorial-decoupling-techniques-analog-devices/

PCB板材對高速數字信號的影響已經不可忽視

隨著數字系統的高速化發展,以前被認為微不足道的傳輸線損耗問題,現正在成為設計的首要關注點。在時鐘頻率高于1GHz時,頻率相關性傳輸損耗的影響已經實實在在發生了,特別是高速 SerDes 接口,信號具有非常快的上升時間,數字信號可以攜帶比自身重復頻率更高頻的能量,這些較高的高頻能量成分,用來構造理想的快速轉換的數字信號。今天的高速串行總線,在時鐘速率的第 5 次諧波上往往有大量的能量集中。

現在有許多高速數字應用,速度為10 Gbit/s或更高。 這些應用使用5 GHz的基頻和15 GHz,25 GHz等的諧波。在此頻率范圍內,大多數常見的PCB材料在介質損耗(Df)方面會有非常顯著的差異,并導致嚴重的信號完整性的問題。這是高速數字PCB使用專為高頻應用而設計的特殊板材的原因之一。 這些材料的配方具有低損耗因數,在很寬的頻率范圍內具有最小的變化。 這些板材過去常用于高頻RF應用,甚至現在用于77 GHz及更高的應用。 除了介質損耗因素的改進外,這些板材還配有嚴格的厚度控制和Dk控制,更佳有利于保障信號完整性。

前幾天老wu博客也有跟進2019臺北電腦展上按摩店發布第三代Ryzen銳龍處理器的情況,按摩店采用7納米的CPU除了在性能上開始壓制牙膏廠之外,其配套的X570 芯片組也引入了對 PCIe 4.0 的支持,采用PCIe 4.0 NVMe的SSD也開始陸續推向市場,而預計兩年后,PCIe 5.0規范也將發布。

PCIe 5.0 的數據速率將達到恐怖的 32GT/s,從而加重頻率相關的插入損耗。選擇的 PCB 材料會對各個區域的插入損耗產生巨大影響。

如果在設計PCB時不考慮板材對高速信號的影響,老司機也會翻車噠!

選擇PCB板材時必須在滿足設計需求、可量產性、成本中間取得平衡點。簡單而言,設計需求包含電氣和結構可靠性這兩部分。通常在設計非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時板材問題才會比較重要。例如,現在常用的FR-4材質,在幾個GHz的頻率時的介質損耗Df(Dielectricloss)會很大,可能就不適用。

高速數字電路運行速度是PCB選擇考慮的主要因素,電路的速率越高,所選PCB的Df值就應該越小。具有中,低損耗的電路板材將適合10Gb/S的數字電路;具有更低損耗的板材適用25Gb/s的數字電路;具有超低損耗板材將適應更快的高速數字電路,其速率可以為50Gb/s或者更高。

從材料Df看:

  Df介于0.01~0.005電路板材適合上限為10Gb/S數字電路;
  Df介于0.005~0.003電路板材適合上限為25Gb/S數字電路;
  Df不超過0.0015的電路板材適合50Gb/S甚至更高速數字電路。

常用的高速板材有:

  1)、羅杰斯Rogers:RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
  2)、臺耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等
  3)、松下Panasonic:Megtron4、Megtron6等
  4)、Isola:FR408HR、IS620、IS680等
  5)、Nelco:N4000-13、N4000-13EPSI等
  6)、東莞生益、泰州旺靈、泰興微波等

對于高速pcb而言,在設計時需要考量材料的選擇及設計等是否滿足信號完整性要求,這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。

PCB傳輸損耗主要由介質損耗、導體損耗和輻射損耗三部分組成。

當高頻信號在 PCB 上從驅動器沿較長的傳輸線傳輸到接收器時,介質材料的損耗因數對信號的影響非常大。較大的損耗因數意味著較高的介質吸收。損耗因數較大的材料會影響長傳輸線上的高頻信號。介質吸收增大了高頻衰減。

PCB 最常用的介質材料是 FR-4,它采用了環氧樹脂玻璃疊層,可滿足多種工藝條件要求。FR-4 的 εr 在 4.1 和 4.5 之間。GETEK 是另一種可以用于高速電路板的材料。GETEK 由環氧樹脂(聚苯醚)構成,εr 在 3.6 和 4.2 之間。

導體損耗

電荷流過材料導致能量損耗。外層微帶線和內層帶狀線的導體損耗都可以細分為2個部分:直流和交流損耗。這里說的直流電是低于1MHz的電路。雖然直流損耗一般不適用于高速電路設計,但電阻下降會侵占多點系統(如SODIMM DDR3/4的地址、命令控制總線布線)的邏輯電平和噪聲容限。然而,板載內存通常信號線長度都小于3英寸,正因如此,沒有凸顯這個問題。

一個典型的5 mil寬、1.4 mil厚(1oz銅)、1英寸長的線路,通上直流電時信號通道的電阻通常是0.1歐姆/英寸。銅和大多數其他金屬的體電阻率在頻率接近100 GHz以前是恒定的。不管怎樣,正是因為趨膚效應,引發了導體的頻率相關性,如圖2所示。

交流電,因其頻率相關性,導體損耗呈電阻性或電感性。低頻時,我們認為電阻和電感同于直流電,但隨著頻率的增加,在傳輸線和基準面上的截面電流分布變得不均勻,并移動到導體的外部。由于趨膚效應,電流被迫進入銅的外表面,從而大大增加了損耗。電流的重新分布使電阻增大、每單位長度的線圈電感減小。隨著頻率增加到超過1GHz時,電阻不斷增加,線圈電感量達到一個極限值,成為外電感。頻率越高,電流在導體外表面流動的趨勢就越大。交流電阻將保持與直流電阻大約相等,直到頻率升高到某一個點,即趨膚深度小于導體厚度時。

為什么要考慮信號完整性問題

通常設計過程是極富直覺和創造性的,要想盡快完成合格設計,激發關于信號完整性的設計直覺至關重要。設計產品的設計師應了解信號完整性如何影響整 個產品的性能。

信號完整性問題主要造成以下三種影響和后果

a、時序
b、噪聲
c、電磁干擾(EMI)

所有與信號完整性噪聲問題有關的效應都與以下四類噪聲源有關:

A、單一網絡的信號完整性當信號沿一網絡傳播時,如果遇到阻抗突變,則會產生反射和失真,信號受到的阻抗變化有以下幾種情況:

  a、線寬變化;
  b、層轉換;返回路徑平面上的間隙;
  d、接插件;
  e、分支線、T型線或樁線;
  f、網絡末端。

B、網絡間的串擾;

C、軌道塌陷噪聲;

當通過電源和地路徑的電流發生變化時,在電源路徑和地路徑間的阻抗上將產生一個壓降。設計電源和地分配的目標是使電源分配系統(PDS)的 阻抗最小

D、來自整個系統的電磁干擾和輻射。

視頻中還科普了許多我們平時進行PCB Layout時應該要了解的知識點,如:

線寬與阻抗的關系
銅厚
PCB表面處理
盤中孔
HDI
傳輸線的概念
Stubs對信號完整性的影響
等等

要進行高效的PCB設計,你得考慮結構尺寸的限制,仔細閱讀器件手冊,選擇合適的器件封裝,原理圖頂層設計,PCB電源供應系統的設計以及電源完整性的考量,PCB設計層數及層疊結構的設計,識別信號回流路徑以及元器件布局的劃分,板材的選擇以及板廠的加工工藝的制約因素,DFM設計以及成本控制等等。

讀到這里,你是不是突然發現自己不會進行PCB設計了?

不會手解麥克斯韋方程組,不懂電磁場理論,不了解信號完整性理念,電路布局好迷茫,還能不能好好拉線了?

別哭,無論是躺在寶馬引擎蓋上哭還是坐著自行車后座上哭,老wu都不允許。

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