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印刷電路板(PCB)的電磁兼容問(wèn)題PCB的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問(wèn)題印刷電路板(PCB,PrintedCircuitBoard)作為電子產(chǎn)品中電路元件和器件的電氣連接的支撐元件高速、寬帶、高靈敏度、高密集度和小型化布局布線(xiàn)密度增加,信號(hào)頻率提高

高頻信號(hào)線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件、布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及各種元件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源信號(hào)在互連線(xiàn)上的傳輸具有反射、串音干擾、延遲和畸變等如何處理高速信號(hào)的電磁兼容問(wèn)題成為PCB設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素

PCB研究的主要問(wèn)題布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)本身的信號(hào)完整性,主要分析印刷線(xiàn)之間的互擾及串音干擾問(wèn)題實(shí)際布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的電磁輻射和電磁干擾,分析印刷線(xiàn)作為源向外輻射情況電路板本身抵抗外部電磁干擾的能力,分析印刷線(xiàn)上作為接收器受到的干擾程度信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制PCB的分區(qū)與分層I/O接口的布線(xiàn)集成電路的EMC抑制PCB的電磁兼容問(wèn)題

PCB信號(hào)完整性分析信號(hào)完整性(SignalIntegrity,簡(jiǎn)稱(chēng)SI)是指信號(hào)線(xiàn)上的信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)定時(shí)的準(zhǔn)確性良好的信號(hào)完整性是指在需要的時(shí)候具有所必需達(dá)到的電壓電平值差的信號(hào)完整性不是由單一因素導(dǎo)致,而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起

PCB信號(hào)完整性分析信號(hào)完整性問(wèn)題包括:反射、過(guò)沖、振蕩、地彈、串?dāng)_等PCB信號(hào)完整性分析對(duì)于同一布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上同一信號(hào)的反射分析、阻抗匹配分析、過(guò)沖分析、信號(hào)時(shí)序分析

對(duì)于鄰近布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不同信號(hào)之間的串?dāng)_分析阻抗控制:現(xiàn)代的高速數(shù)字設(shè)計(jì)中,越來(lái)越要求PCB板具有很好的控制阻抗特性要求PCB上某部分的阻抗盡量為一個(gè)固定值,信號(hào)在傳輸過(guò)程中畸變和衰減最小,保證信號(hào)的完整性考慮布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PCB絕緣層的電介質(zhì)特性以及每一布線(xiàn)層的電氣特性

PCB信號(hào)完整性分析上沖/下沖振鈴延遲錯(cuò)誤多次跨越邏輯電平閾值PCB信號(hào)完整性分析傳輸線(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)致的振蕩及反射源端與負(fù)載端阻抗不匹配引起線(xiàn)上反射,負(fù)載將一部分電壓反射回源端布線(xiàn)的幾何形狀不正確的跡線(xiàn)端接經(jīng)過(guò)連接器的傳輸電源平面的不連續(xù)走線(xiàn)阻抗的變化PCB信號(hào)完整性分析信號(hào)的過(guò)沖(overshoot)——第一個(gè)峰值或者谷值超過(guò)設(shè)定電壓下沖(undershoot),是指下一個(gè)谷值或者峰值過(guò)大的過(guò)沖能夠引起保護(hù)二極管工作,導(dǎo)致過(guò)早失效過(guò)分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(誤操作)PCB信號(hào)完整性分析信號(hào)振鈴(ringing)和環(huán)繞振蕩(rounding)由線(xiàn)上過(guò)度的電感和電容引起振鈴屬于欠阻尼狀態(tài),環(huán)繞振蕩屬于過(guò)阻尼狀態(tài)振鈴可以通過(guò)適當(dāng)端接予以減小,但不可能完全消除PCB信號(hào)完整性分析地彈(groundbounce):在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地平面反彈噪聲如大量芯片的輸出同時(shí)開(kāi)啟時(shí),將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過(guò),在真正的地平面(0V)上產(chǎn)生電壓波動(dòng)和變化,影響其它元器件動(dòng)作由于地電平面(包括電源和地)分割,例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等,當(dāng)數(shù)字信號(hào)傳到模擬地線(xiàn)區(qū)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生地平面回流噪聲PCB信號(hào)完整性分析串音干擾(簡(jiǎn)稱(chēng)為串?dāng)_)是由同一PCB板上的兩條信號(hào)線(xiàn)與地平面引起的,故也稱(chēng)為三線(xiàn)系統(tǒng)串音是指出現(xiàn)在跡線(xiàn)之間、導(dǎo)線(xiàn)之間、跡線(xiàn)-導(dǎo)線(xiàn)之間、安裝電纜之間、元件之間不期望的電磁場(chǎng)耦合串音由電路網(wǎng)絡(luò)中的電流和電壓引起的,類(lèi)似于天線(xiàn)耦合PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線(xiàn)間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線(xiàn)端接方式對(duì)串音都有影響測(cè)量串音時(shí)使用dB為單位

串音串音包括電容耦合和電感耦合

電磁兼容設(shè)計(jì)的帶寬

電子電路電磁兼容設(shè)計(jì)中有兩個(gè)問(wèn)題必須明確用于電磁兼容設(shè)計(jì)的帶寬與電子電路的不同

不能用脈沖重復(fù)周期決定的頻帶作為印制電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)帶寬電磁兼容設(shè)計(jì)的頻率范圍除了基本頻率外,再考慮諧波因素,通常取10倍頻

脈沖信號(hào)的頻譜1/d1/

tr

諧波幅度(電壓或電流)頻率(對(duì)數(shù))-20dB/dec-40dB/decTdtrAV(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2

PCB信號(hào)完整性分析

PCB的信號(hào)完整性(電磁兼容)設(shè)計(jì)流程

信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制PCB的分區(qū)與分層I/O接口的布線(xiàn)集成電路的EMC抑制印刷電路板的電磁兼容問(wèn)題

元器件與EMC

邊沿率

選擇數(shù)字元器件時(shí)通常根據(jù)制造商提供的邏輯門(mén)的傳輸延時(shí)來(lái)考慮,而沒(méi)有考慮輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際邊沿率產(chǎn)生射頻能量的主要因素是邊沿率,不是運(yùn)行頻率

對(duì)于電磁兼容來(lái)說(shuō),元器件的邊沿率是首先要考慮的問(wèn)題,而時(shí)鐘速度只是其次要考慮的問(wèn)題元器件的實(shí)際運(yùn)行速度比標(biāo)稱(chēng)的速度要快選擇滿(mǎn)足要求的速度較慢的元器件更有利于減小EMI高頻情況下無(wú)源元件的模型

在高頻情況下分布電感與分布電容:PCB板的引線(xiàn)、過(guò)孔、電阻、電容、接插件等過(guò)孔大約引起0.6pF的電容集成電路封裝材料引入2~6pF電容線(xiàn)路板上的接插件有520nH的分布電感一個(gè)雙列直插24引腳集成電路插座引入4~18nH分布電感分布參數(shù)低頻時(shí)可忽略,對(duì)高速系統(tǒng)必須予以特別注意

高頻情況下無(wú)源元件的模型

信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制

線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制PCB的分區(qū)與分層I/O接口的布線(xiàn)集成電路的EMC抑制印刷電路板的電磁兼容問(wèn)題地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制

Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅(qū)動(dòng)電路ICCI驅(qū)動(dòng)I充電I放電IgVg典型的門(mén)電路輸出級(jí)(圖騰柱輸出)

輸出為高:Q3導(dǎo)通,Q4截止輸出為低:Q3截止,Q4導(dǎo)通這兩種狀態(tài)都在電源與地之間形成了高阻抗,限制電源電流

電源線(xiàn)、地線(xiàn)噪聲電壓波形輸出ICCVCCIgVg地線(xiàn)干擾對(duì)電路的影響1324寄生電容地線(xiàn)上的這些干擾不僅會(huì)引起電路的誤操作,還會(huì)造成傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。為了減小這些干擾,應(yīng)盡量減小地線(xiàn)的阻抗

線(xiàn)路板走線(xiàn)的電感

L=0.002S[2.3lg(2S/W)+0.5]HWSL=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若:L1=L2L=(L1+M)/2MII對(duì)于數(shù)字電路,地線(xiàn)阻抗決不是地線(xiàn)電阻。例如,寬0.5mm的印制線(xiàn),每英寸電阻為12m

,電感是15nH,對(duì)于160MHz的信號(hào),其阻抗為9.24,遠(yuǎn)大于直流電阻。

地線(xiàn)網(wǎng)格每個(gè)芯片的近旁應(yīng)該有地線(xiàn),往往每隔1~1.5cm布一根地線(xiàn)

地線(xiàn)網(wǎng)格抑制地線(xiàn)噪聲電壓(mV)的效果

電源線(xiàn)噪聲的消除電源線(xiàn)電感儲(chǔ)能電容這個(gè)環(huán)路盡量小,盡量靠近電源和地引腳邏輯門(mén)的輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),電源線(xiàn)上會(huì)有電流突變,由于電源線(xiàn)的電感效應(yīng),會(huì)在電源線(xiàn)上產(chǎn)生噪聲電壓,對(duì)其它共用電源的電路產(chǎn)生干擾,并且會(huì)產(chǎn)生輻射

增強(qiáng)解耦效果的方法電源地鐵氧體注意鐵氧體安裝的位置用鐵氧體增加電源端阻抗接地線(xiàn)面細(xì)線(xiàn)粗線(xiàn)用細(xì)線(xiàn)增加電源端阻抗

增加芯片從電源線(xiàn)吸收能量的難度,就能夠使芯片盡量從儲(chǔ)能電容吸收能量,減少?gòu)碾娫淳€(xiàn)吸收的能量信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制

PCB的分區(qū)與分層I/O接口的布線(xiàn)集成電路的EMC抑制印刷電路板的電磁兼容問(wèn)題線(xiàn)路板的兩種輻射機(jī)理差模輻射共模輻射電流環(huán)I/O電纜線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射近場(chǎng)區(qū)內(nèi):H=IA/(4

D3)A/m

E=

Z0IA/(2D2)V/m

ZW=Z0(2D/

AI隨頻率、距離增加而增加

Z0

f、D測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電場(chǎng)提出要求,多在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi):H=

IA/(

2D)A/m

E=Z0

IA/(

2D)V/m

ZW=Z0=377導(dǎo)線(xiàn)的共模輻射近場(chǎng)區(qū)內(nèi):H=IL/(4

D2)A/m

E=Z0IL

/(8

2D3)V/m

ZW=Z0(/2D)

I

L隨頻率、距離增加而減小

Z0

F,D測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電場(chǎng)提出要求,多在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi):H=IL/(2D)A/m

E=Z0IL/(2D)V/m實(shí)際電路的輻射ZGZLVZC=ZG+ZL近場(chǎng):ZC

7.9Df

E=7.96VA/D3

(V/m)

ZC7.9Df

E=0.63IAf/D2

(V/m)

H=7.96IA/D3

(A/m)環(huán)路面積

=A~I遠(yuǎn)場(chǎng):

E=1.3×10-8IAf2/D

(V/m)常用的差模輻射預(yù)測(cè)公式考慮地面反射時(shí):

E

=2.6

×10-8IAf

2/D

(V/m)測(cè)量電場(chǎng)輻射時(shí)都存在地面反射,因此要考慮這個(gè)因素。根據(jù)電磁兼容分析中考慮最壞情況的原則,往往將場(chǎng)強(qiáng)乘以2邏輯電路滿(mǎn)足EMI指標(biāo)允許的環(huán)路面積各環(huán)路中電流的頻率相同時(shí)有疊加關(guān)系:N個(gè)環(huán)路輻射,乘以

N

各環(huán)路中電流的頻率不同則沒(méi)有疊加的關(guān)系:分散時(shí)鐘頻率在設(shè)計(jì)電路時(shí),盡量避免使用同一個(gè)時(shí)鐘來(lái)獲得不同的同步信號(hào)如何減小差模輻射E

=

2.6×10-8

I

A

f

2/D低通濾波器布線(xiàn)盡量使用低速芯片延長(zhǎng)上升時(shí)間濾除1/tr頻率以上的頻率

實(shí)際電流不按設(shè)計(jì)路徑流動(dòng),而選擇阻抗最小路徑最重要的一點(diǎn)是知道差模電流的實(shí)際路徑,從而確定差模電流的環(huán)路面積如何減小差模輻射如何減小差模輻射如何減小差模輻射PCB板上的環(huán)路面積如何減小差模輻射PCB板內(nèi)環(huán)路面積的減縮如何減小差模輻射單層板在信號(hào)線(xiàn)旁邊布一根地線(xiàn)

雙層板在信號(hào)線(xiàn)下方布一根地線(xiàn)

外拖電纜的共模輻射LI2HCPI3I1CPVCM機(jī)箱內(nèi)的所有信號(hào)都會(huì)通過(guò)電纜輻射!共模電流輻射強(qiáng)度比差模輻射高37dB

外拖電纜的共模輻射不要試圖通過(guò)將電路與大地“斷開(kāi)”來(lái)減小共模輻射將電路與大地?cái)嚅_(kāi)僅能夠在低頻減小共模電流。而在低頻時(shí),輻射并不是主要的問(wèn)題高頻時(shí)寄生電容形成的通路阻抗很小實(shí)際電纜上的共模電流不僅由電纜中傳輸?shù)牟钅P盘?hào)產(chǎn)生,而且還會(huì)由機(jī)箱內(nèi)電路產(chǎn)生的差模輻射感應(yīng)到電纜上形成

兩端設(shè)備都接地的情況LCPICMRWRWL~

ZCM=RW+j

L+RL+1/j

C按照環(huán)路的阻抗、近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)條件等可以計(jì)算共模環(huán)路輻射懸浮電纜ICM近場(chǎng)區(qū)內(nèi):E=1430IL/(fD3)V/m遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi):E=0.63

ILf

/DV/m考慮地面反射:E=1.26

ILf

/DV/m電纜長(zhǎng)度:L連接小的、沒(méi)有接地的器件或設(shè)備(如傳感器、鍵盤(pán)等)怎樣減小共模輻射

E=1.26

I

L

f/D

共模濾波共模扼流圈減小共模電壓使用盡量短的電纜共模濾波電纜屏蔽信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制線(xiàn)路板的電磁輻射及抑制PCB的分區(qū)與分層I/O接口的布線(xiàn)集成電路的EMC抑制印刷電路板的電磁兼容問(wèn)題

PCB的分區(qū)

結(jié)構(gòu)邏輯分區(qū)

物理分區(qū)

電氣分區(qū)PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)

PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)

將PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分。A/D轉(zhuǎn)換器要跨分區(qū)放置。不要對(duì)地進(jìn)行分割。在電路板的模擬部分和數(shù)字部分下面敷設(shè)統(tǒng)一地。在電路板的所有層中,數(shù)字信號(hào)只能在電路板的數(shù)字部分布線(xiàn),模擬信號(hào)只能在PCB的模擬部分布線(xiàn)。實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電源分割。布線(xiàn)不能跨越分割電源面之間的間隙,必須跨越分割電源之間間隙的信號(hào)線(xiàn)要位于緊鄰大面積地的布線(xiàn)層上。認(rèn)真分析回流路徑和回流方式。PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)電磁兼容有兩個(gè)基本要求:

(1)可能減小電流環(huán)路的面積。

(2)系統(tǒng)只采用一個(gè)參考地。PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)

印制電路板基本布線(xiàn)PCB的分層設(shè)計(jì)

PCB的分層設(shè)計(jì)

信號(hào)層,特別是高速信號(hào)層最好是緊貼地平面層。阻抗要求不嚴(yán)格的信號(hào)線(xiàn)可走微帶線(xiàn),重要信號(hào)線(xiàn)要走帶狀線(xiàn)。對(duì)于時(shí)鐘、復(fù)位、敏感信號(hào)線(xiàn),最好用兩個(gè)地平面包圍起來(lái)。主電源平面(PCB上功率最大的那個(gè)電源)地平面之下。關(guān)鍵信號(hào)層要有地平面相鄰。關(guān)鍵的主電源有一對(duì)應(yīng)地平面相鄰回流。次要的布線(xiàn)層需要有地或電源層作回流。對(duì)于多層板,關(guān)鍵布線(xiàn)層應(yīng)與完整地平面相鄰。多電源情況下,要盡可能減少不同電壓電源層的相互覆蓋。PCB分層設(shè)計(jì)的一般原則:PCB的分層設(shè)計(jì)

雙層板PCB的分層設(shè)計(jì)

四層板

(1)第一層(元件面):信號(hào)和時(shí)鐘層;(2)第二層:地線(xiàn)層;(3)第三層:電源板;(4)第四層(焊錫面)信號(hào)和時(shí)鐘層。PCB的分層設(shè)計(jì)

第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))第二層:接地層第三層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn))第四層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn))第五層:電源層;第六層:(焊錫面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))六層板(布局1)常用于時(shí)鐘信號(hào),高頻器件PCB的分層設(shè)計(jì)

六層板(布局2)第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))第二層:內(nèi)嵌式信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn))第三層:地線(xiàn)層第四層:電源層第五層:內(nèi)嵌式信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn))

第六層:(焊錫面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))PCB的分層設(shè)計(jì)

第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第二層:地線(xiàn)層第三層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn)):第四層:電源層;第五層:地線(xiàn)層:第六層:(焊錫面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))。

六層板(布局3)PCB的分層設(shè)計(jì)

八層板(布局1)第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第二層:內(nèi)嵌式信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第三層:地線(xiàn)層:第四層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn)):第五層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第六層:電源板;第七層:內(nèi)嵌式信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第八層:(焊錫面)微帶線(xiàn)信號(hào)傳輸層。PCB的分層設(shè)計(jì)

第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第二層:地線(xiàn)層;第三層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第四層:地線(xiàn)層;第五層:電源板;第六層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第七層:地線(xiàn)層;第八層:(焊錫面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))。

八層板(布局2

)PCB的分層設(shè)計(jì)

第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))第二層:地線(xiàn)層第三層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn)):第四層:信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn));第五層:地線(xiàn)層;第六層:電源層;第七層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第八層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第九層:地線(xiàn)層;第十層:信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))。十層板(布局1

)PCB的分層設(shè)計(jì)

第一層:(元件面)信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))第二層:地線(xiàn)層第三層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn)):第四層:電源層;第五層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第六層:地線(xiàn)層;第七層:電源層;第八層:信號(hào)布線(xiàn)層(帶狀線(xiàn));第九層:地線(xiàn)層;第十層:信號(hào)布線(xiàn)層(微帶傳輸線(xiàn))。十層板(布局2)PCB的分層設(shè)計(jì)

好PCB的分層設(shè)計(jì)

20H—原則20H值一般為3mm

電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)縮后可以有效抑制“邊緣輻射”問(wèn)題電源層電源層PCB的分層設(shè)計(jì)

20H—原則的應(yīng)用PCB的分層設(shè)計(jì)

對(duì)于板級(jí)工作頻率不小于50MHz的單板,若第2層與倒數(shù)第2層為布線(xiàn)層,則TOP、BOTTON層應(yīng)鋪接地銅箔

關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線(xiàn),靠近地平面布線(xiàn)能夠使其信號(hào)回路面積最小

PCB的分層設(shè)計(jì)

電源平面與地平面相鄰,可以有效地減小電源電流的回路面

(a)好的回流;(b)差的回流

PCB的分層設(shè)計(jì)

信號(hào)的完整性元器件與EMC地線(xiàn)和電源線(xiàn)的干擾及抑制線(xiàn)路板的電磁

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