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PCB

PCB简介

PCB板(Printedcircuitboard)是电子元器件的支撑体也是电子元器件电气之间的连接提供者,它几乎是一切电子产品的基础设施,它除了固定各种小电子元器件的基本功能外,更主要的功能是提供上面各个电子元器件的相互连接。

随着电子设备越来越复杂,需要的配件越来越多,从而导致PCB上面的线路与配件也越来越密集了。板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成的,在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处理掉,留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线(conductorpattern)或称布线,并用来提供PCB上电子元器件的电路连接。

PCB板分类

PCB主要分类有:单面板、双面板、多层板。

1、单面板(Single-SidedBoards)

最基本的PCB上,电子元器件都集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以我们就称这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制,主要是:布线间不能交差而必须绕独自的路径,所以只有早期的电路才使用这类的板子,现在已经很少见到了。

2、双面板(Double-SidedBoards)

这种电路板的两面都有布线。不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的"桥梁"叫做导孔。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,而且因为布线可以互相交错,它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

3、多层板(Multi-LayerBoards)

为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。多层板使用数片双面板,并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢。板子的层数就代表了有几层独立的布线层,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主板都是4层的结构,但是因为PCB板中的各层都紧密结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果您仔细观察主板,也许可以看出来,但这种几率不大。所以我们通常用来区分PCB板层数的方法是看它的厚度另外可以掂掂它的分量。

PCB作用

(一)系统感知进程的标识

(二)反映进程的动态特征

(三)常驻内存与进程对应

(四)进程控制块将构成并发执行控制和维护系统工作的依据

PCB组成

(一)描述信息

1、进程名或进程标识号

2、用户名或用户标识号

3、家族关系--进程树
 

(二)控制信息

1、当前状态

2、优先级别

3、程序开始地址

4、计时信息

5、通信信息
 

(三)资源管理信息

1、占用内存大小及管理用数据结构指针

2、对换或覆盖信息

3、共享程序段大小及起始地址

4、I/O设备相关信息

5、指向文件系统的指针及有关标识


(四)CPU现场保护区
 PCB使用技巧

1、元器件标号自动产生或已有的元器件标号取消重来

2、单面板设置

3、自动布线前设定好电源线加粗

4、PCB封装更新,只要在原封装上右键弹出窗口内的footprint改为新的封装号

5、定位孔的放置

6、设置图纸参数

7、元件旋转:X键:使元件左右对调;Y键:使元件上下对调

8、元件属性

9、元器件清单

10、原理图电气法则测试

PCB走线策略

布线(Layout)是PCB设计工程师最基本的工作技能之一。走线的好坏将直接影响到整个系统的性能,大多数高速的设计理论也要最终经过布线(Layout)得以实现并验证,由此可见,布线在高速PCB设计中是至关重要的。下面将针对实际布线中可能遇到的一些情况,分析其合理性,并给出一些比较优化的走线策略。主要从直角走线,差分走线,蛇形线等三个方面来阐述。

A.直角走线

直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况,也几乎成为衡量布线好坏的标准之一,?从原理上说,直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续。其实不光是直角走线,顿角,锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面:

1.拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间。

2.阻抗不连续会造成信号的反射。

3.直角尖端产生的EMI。

B.差分走线

差分信号(DifferentialSignal)在高速电路设计中的应用越来越广泛,电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计,就是驱动端发送两个等值、反相的信号,接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态"0"还是"1"。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号和普通的单端信号走线相比,最明显的优势体现在以下三个方面:

1.抗干扰能力强,因为两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只是两信号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

2.能有效抑制EMI,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。

3.时序定位精确,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。
 

PCB差分信号误区:

误区一:认为差分信号不需要地平面作为回流路径,或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象迷惑,或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。因而差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。

地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径,其实在信号回流分析上,差分走线和普通的单端走线的机理是一致的,即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流,最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外,还存在相互之间的耦合,在PCB电路设计中,一般差分走线之间的耦合较小,往往只占10~20%的耦合度,更多的还是对地的耦合,所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。

当地平面发生不连续的时候,无参考平面的区域,差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路,尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重,但还是会降低差分信号的质量,增加EMI,要尽量避免。也有些设计人员认为,可以去掉差分走线下方的参考平面,以抑制差分传输中的部分共模信号,不给共模信号提供地阻抗回路,势必会造成EMI辐射,这种做法弊大于利。

误区二:认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中,往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布,过孔,以及走线空间等因素存在,必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的,但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行,对之间的耦合本身就不显著,所以阻抗变化范围也是很小的,通常在10%以内,只相当于一个过孔造成的反射,这对信号传输不会造成明显的影响。

而线长一旦不匹配,除了时序上会发生偏移,还给差分信号中引入了共模的成分,降低信号的质量,增加了EMI。可以这么说,PCB差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长,其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。

误区三:认为差分走线一定要靠的很近。让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合,既可以提高对噪声的免疫力,还能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的,但不是绝对的,如果能保证让它们得到充分的屏蔽,不受外界干扰,那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制EMI的目的了,增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一,电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的,一般线间距超过4倍线宽时,它们之间的干扰就极其微弱了,基本可以忽略。

此外,通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用,这种结构在高频的(10G以上)IC封装PCB设计中经常会用采用,被称为CPW结构,可以保证严格的差分阻抗控制(2Z0),差分走线也可以走在不同的信号层中,但一般不建议这种走法,因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果,引入共模噪声。此外,如果相邻两层耦合不够紧密的话,会降低差分走线抵抗噪声的能力,但如果能保持和周围走线适当的间距,串扰就不是个问题。

在一般频率(GHz以下),EMI也不会是很严重的问题,实验表明,相距500Mils的差分走线,在3米之外的辐射能量衰减已经达到60dB,足以满足FCC的电磁辐射标准,所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。

C.蛇形线

主要目的就是为了调节延时,满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识:蛇形线会破坏信号质量,改变传输延时,布线时要尽量避免使用。但实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或者减小同组信号之间的时间偏移,往往不得不故意进行绕线。越大,则耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小,以及由于串扰而大大降低信号的质量,其机理可以参考第三章对共模和差模串扰的分析。

 蛇形线建议:

1.尽量增加平行线段的距离,绕大弯走线,只要S足够大,就几乎能完全避免相互的耦合效应。

2.减小耦合长度Lp,当两倍的Lp延时接近或超过信号上升时间时,产生的串扰将达到饱和。

3.带状线(Strip-Line)或者埋式微带线(EmbeddedMicro-strip)的蛇形线引起的信号传输延时小于微带走线(Micro-strip)。理论上,带状线不会因为差模串扰影响传输速率。

4.高速以及对时序要求较为严格的信号线,尽量不要走蛇形线,尤其不能在小范围内蜿蜒走线。

5.可以经常采用任意角度的蛇形走线,如图1-8-20中的C结构,能有效的减少相互间的耦合。

6.高速PCB设计中,蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的能力,只可能降低信号质量,所以只作时序匹配之用而无其它目的。

7.有时可以考虑螺旋走线的方式进行绕线,仿真表明,其效果要优于正常的蛇形走线。

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