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信号完整性(一):PCB走线半途容性负载反射

很多时候,PCB走线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,必然对信号造成影响。走线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端两

首先按看一下对信号发射端的影响。当一个快速上升的阶跃信号抵达电容时,电容快速充电,充电电流和信号电压上升快慢有关,充电电流公式为:I=C*dV/dt。电容量越大,充电电流越大,信号上升时间越快,dt越小,相同使充电电流越大。

咱们知道,信号的反射与信号感受到的阻抗改变有关,因而为了剖析,咱们看一下,电容引起的阻抗改变。在电容开端充电的初期,阻抗表明为:


这儿dV实践上是阶跃信号电压改变,dt为信号上升时间,电容阻抗公式变为:


从这个公式中,咱们能够得到一个很重要的信息,当阶跃信号施加到电容两头的初期,电容的阻抗与信号上升时间和自身的电容量有关。

通常在电容充电初期,阻抗很小,小于走线的特性阻抗。信号在电容处发生负反射,这个负电压信号和原信号叠加,使得发射端的信号发生下冲,引起发射端信号的非单调性。

关于接纳端,信号抵达接纳端后,发生正反射,反射回来的信号抵达电容方位,那个样发生负反射,反射回接纳端的负反射电压相同使接纳端信号发生下冲。

为了使反射噪声小于电压摆幅的5%(这种状况对信号影响能够忍受),阻抗改变有必要小于10%。那么电容阻抗应该控制在多少?电容的阻抗表现为一个并联阻抗,咱们能够用并联阻抗公式和反射系数公式来确认它的规模。关于这种并联阻抗,咱们期望电容阻抗越大越好。假定电容阻抗是PCB走线特性阻抗的k倍,依据并联阻抗公式得到电容处信号感受到的阻抗为:


阻抗改变率为:


,即


,也就是说,依据这种抱负的核算,电容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。实践上,跟着电容的充电,电容的阻抗不断添加,并不是一向坚持最低阻抗,别的,每一个器材还会有寄生电感,使阻抗添加。因而这个9倍约束能够放宽。在下边的评论中假定这个约束是5倍。

有了阻抗的目标,咱们就能够确认能忍受多大的电容量。电路板上50欧姆特性阻抗很常见,我就用50欧姆来核算。


得出:


即在这种状况下,假如信号上升时间为1ns,那么电容量要小于4皮法。反之,假如电容量为4皮法,则信号上升时间最快为1ns,假如信号上升时间为0.5ns,这个4皮法的电容就会发生问题。

这儿的核算只不过是为了阐明电容的影响,实践电路中状况十分复杂,需求考虑的要素更多,因而这儿核算是否准确没有实践意义。关键是要经过这种核算了解电容是怎么影响信号的。咱们对电路板上每一个要素的影响都有一个感性认识后,就能为规划供给必要的辅导,出现问题就知道怎么去剖析。准确的评价需求用软件来仿真。

总结:

1、PCB走线半途容性负载使发射端信号发生下冲,接纳端信号也会发生下冲。

2、能忍受的电容量和信号上升时间有关,信号上升时间越快,能忍受的电容量越小。

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