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硬件工程師設計tips

2021-07-08知識

開篇先打個廣告:

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廣義上講,由互連線引起的所有的問題。

包括:時序、雜訊、電磁幹擾;
  • 時序
  • 簡單的理解,就是在一個周期如何分配合理時槽,使得IC能轉換成合理的數據。

  • 雜訊
  • 雜訊是主要要解決的問題,它包含振鈴、反射、串擾、開關雜訊、非單調性、電源雜訊。

    所有與訊號完整性雜訊問題有關的問題可以總結為4類:
    1. 單一網絡的訊號完整性

    這裏面有一個很重要的概念,作為硬件工程師,一定要形成條件反射:

    返回路徑

    單一網絡的訊號質素與返回路徑物理特征有很大關系。如果記住這個點,很多layout的錯誤很容易被發現。

    關鍵訊號要註意的點:

    線寬是否變化(這個要更加特征阻抗確定)

    參考平面是否完整

    是否有分支線

    特征阻抗是否連續

    訊號與返回路徑

    2. 兩個或多個網絡的串擾

    這主要解決的是線與線之間的耦合關系,我們通常說3W間距,地孔隔離帶,減少平行走線的長度等就是為了解決線與線之間的幹擾。

    這個地方可以從特征阻抗模型分析,平行線有電感耦合與電容的因素。這樣在訊號傳輸的過程中總有充放電和電磁耦合的現象。

    串擾波形

    串擾可以分為近端耦合,與遠端耦合,近端耦合很容易飽和,遠端耦合幅值很大。

    後面章節會具體說明。

    近端耦合與遠端耦合

    3. 電源和地的軌域塌陷

    這個就是電源壓降。

    本質上是由互連線之間的阻抗過大造成的。當電流過大,而目標阻抗過大所造成的電壓跌落現象。

    也就是我們經常會看到,目標阻抗最小化問題。

    在原理圖設計的時候:耦合電容的容值選擇,數量的選擇;

    在PCB設計的時候:電容去耦半徑,過孔寄生電容和電感,電源層的設定,封裝寄生效應;

    電源完整性我也會在後續章節來介紹。

    4. 系統電磁幹擾和輻射

    分為EMI和EMC

    目前,國內開始重視EMC的管控,我的每個產品都有EMC要求,最近幾年基本上是解決EMC問題。因為這東西和原理關系不大,主要是參數選擇和布局走線的控制。

    我們通常會聽到整改方案提到一對關鍵詞: 共模和差模

    共模輻射強度和頻率是線性關系。

    差模輻射強度和頻率是平方關系。

    輻射問題,我們要有意識的定位三個問題:

    雜訊源 :這個過程就比較復雜了,需要你熟悉系統的訊號流向。

    輻射路徑 :有線和無線

    天線 :介面連線,插接

    註:減小回路面積和伴地處理在很多情況下是非常有效的手段。

    總結

    隨著專案經驗豐富,你會發現訊號完整信本質上就是在解決阻抗問題。

    阻抗會引起訊號失真,會導致電源壓降,會導致輻射。

    業界一直有兩種人:經驗主義和理論主義.

    前者過分套用所謂的準則,讓設計很被動,總是畏手畏腳。

    後者過分最求參數,雖然可靠性上來了,但是設計成本和周期也成倍增長。

    我認為,結果是最好的經驗,一切都要在成本和時間面前妥協。

    有限的精力放在相對關鍵的訊號上。

    其他訊號,多一點少一點,關系真不大。

    後面文章中,我會從多個角度重點分析。

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