電阻、電容、電感在高速電路中的應(yīng)用
目錄
1.2 如何區(qū)分高速和低速
1.3 硬件設(shè)計流程
1.3.1 需求分析
1.3.2 概要設(shè)計
1.3.3 詳細(xì)設(shè)計
1.3.4 調(diào)試
1.3.5 測試
1.3.6 轉(zhuǎn)產(chǎn)
1.4 原理圖設(shè)計--更規(guī)范
2.1 電阻
2.1.2 電阻應(yīng)用要點
2.2 電容
2.2.2 電容的作用及分析
1. 高速電路中電容的作用
2. 電容的等效電路
3. 濾波電容阻抗隨頻率變化的特性
2.2.3 高速電路設(shè)計常用的電容
1. 陶瓷電容
2. 鉭電容/聚合物鉭電容
3. 鋁電解電容/聚合物鋁電解電容
4. OSCON電容
2.2.4 去耦電容和旁路電容
第1章 概述
1.2 如何區(qū)分高速和低速
信號的周期頻率和有效頻率
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區(qū)分高速和低速的步驟：
一，獲取信號的有效頻率Fknee和走線長度L。
二，λ=C/F，利用Fknee計算出λknee。
三，判斷L和1/6 λknee的大小，L>1/6 λknee，則為高速信號，反之為低速信號。
高速信號是指傳輸路徑上各點電平存在較大差異。高速于低速的區(qū)分不僅和信號頻率有關(guān)，還和傳輸路徑的長度有關(guān)。
信號頻率越高，低速和高速分水嶺的長度越短，反之亦然。
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1.3 硬件設(shè)計流程
1.3.1 需求分析
（1）整體性能要求：如數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)能力、處理延時、最高處理帶寬、CPU處理能力等。針對這些要求，可初步進(jìn)行CPU、存儲器、交換芯片等器件的選型。
（2）功能要求
（3）成本要求
（4）接口要求
（5）功耗要求
1.3.2 概要設(shè)計
如數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)能力、處理延時、最高處理帶寬、CPU處理能力等。針對這些要求，可初步進(jìn)行CPU、存儲器、交換芯片等器件的選型。
1.3.3 詳細(xì)設(shè)計
電子設(shè)計工程師負(fù)責(zé)各個總線接口信號的定義，CPU存儲空間分配，時鐘、復(fù)位電路器件選型及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中斷鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電源電路的詳細(xì)框圖（需注明各路電源的產(chǎn)生方式、電壓值、電流值等），關(guān)鍵電源的濾波方式，邏輯器件功能及其寄存器說明書，面板上用戶接口的定義及接口信號連接關(guān)系，指示燈器件的選型及其連接關(guān)系，最后繪制原理圖并產(chǎn)生物料清單。在詳細(xì)設(shè)計階段的后期，應(yīng)開始制訂測試計劃。
1.3.4 調(diào)試
板卡調(diào)試大致步驟：
（1）外觀檢測
（2）靜態(tài)阻抗測試
（3）靜態(tài)電源測試
（4）時鐘測試
（5）功能模塊測試
1.3.5 測試
（1）測試設(shè)備列表
（2）測試環(huán)境的搭建圖
（3）電源測試
（4）各接口信號的信號完整性與時序
（5）各通用接口的功能測試
（6）復(fù)位鏈路的測試
（7）晶振、時鐘驅(qū)動器、鎖相環(huán)等與時鐘相關(guān)的測試
（8）指示燈、單板在位信號、槽位號等雜項的測試
（9）流量的測試
1.3.6 轉(zhuǎn)產(chǎn)
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1.4 原理圖設(shè)計--更規(guī)范
（1）在原理圖的首頁繪制單板的總體框架圖、電源架構(gòu)框圖、時鐘拓?fù)鋱D、復(fù)位鏈路拓?fù)鋱D、中斷鏈路拓?fù)鋱D、邊界掃描鏈路圖等。若單板的接口較多，增加接口說明。若I2C總線的拓?fù)漭^復(fù)雜，增加注釋各I2C器件的地址。
（2）在原理圖上電源電路的輸出端附近，應(yīng)標(biāo)注該路電源的電壓值和電流值（注釋電流值，給PCB工程師看）。
（3）繪制原理圖時注釋布局要求。
（4）按照PCB上電容的排列順序繪制原理圖的電容濾波電路。
（5）原理圖上應(yīng)標(biāo)注關(guān)鍵信號的速率、走線層，若信號線之間有走線長度關(guān)系，也建議標(biāo)注在原理圖上。
（6）原理圖上應(yīng)標(biāo)明高散熱及熱敏感器件，若有特殊的放置要求，也可在原理圖上加以注釋。
（7）在原理圖上，應(yīng)對跳線、選焊器件的配置方法等進(jìn)行注釋。
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第2章 阻容感及磁珠在高速電路中的選型及應(yīng)用
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2.1.2 電阻應(yīng)用要點
（1）阻值；
（2）尺寸；
（3）額定功率；至少降額20%使用；
（4）精度，當(dāng)用于設(shè)定器件工作參數(shù)時選用高精度電阻，例如1%。
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2.2.2 電容的作用及分析
1. 高速電路中電容的作用
（1）電荷緩沖池
高速電路中電源的負(fù)載時動態(tài)變化的，高速運行的器件電流和功耗不斷變化。在這種情況下，需要為器件提供一種緩沖池，電流功耗變化時為器件提供一種穩(wěn)定的電壓。
（2）高頻噪聲的重要泄放路徑
高速電路的狀態(tài)不斷在1和0之間切換，電流方向不斷在輸出和輸入之間切換，狀態(tài)的高速切換將在電路上產(chǎn)生大量的噪聲干擾。干擾信號的頻率是有效信號的2次、3次倍頻。在電源傳輸路徑上需要將這些高頻干擾泄放到相對穩(wěn)定的地平面。Z=1/jwc，當(dāng)頻率較高時，電容阻抗低，成為高頻噪聲的重要泄放通路。
（3）實現(xiàn)交流耦合
通過高速差分對互聯(lián)的2個器件，工作在不同電平，發(fā)出的差分對將攜帶不同電平的直流分量，不能相互識別。電容可以通交流，隔直流，實現(xiàn)濾除直流分量的功能。即交流耦合（AC Couple），直流隔離（DC Blocking）。
交流耦合(AC Coupling)就是通過隔直電容耦合，去掉了直流分量
直流耦合(DC Coupling)就是直通，交流直流一起過，并不是去掉了交流分量。
在交流耦合中，電容串接在線路中，阻抗為1/jwC。容值越小的電容，對低頻信號的阻抗就越大，使低頻信號衰減嚴(yán)重。
定義Tc為每比特位的數(shù)據(jù)周期，NUM為最大容許連0或連1比特位的數(shù)目，負(fù)載的阻抗為R（一般取50Ω），C為交流耦合電容容值。則有經(jīng)驗公式：
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F=800MHz，Tc=1.25ns，R=50Ω，根據(jù)碼型分析應(yīng)用中可能出現(xiàn)的最大連0或連1比特位的長度，如果最大連85bit，設(shè)定NUM=86，則交流耦合電容的最小取值要求為：
Cmin=7.8*86*1.25ns/50Ω=16.77nF=0.01677nF
設(shè)計中，選用0.01μF的耦合電容，顯然無法滿足經(jīng)驗公式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀出錯。在設(shè)計時需注意，耦合電容取值也不能太大，如果容值太大，將無法滿足高速信號變換的邊沿斜率要求。在高速設(shè)計中，一般取耦合電容的容值為0.1μF，這樣既可以滿足數(shù)據(jù)幀中可能出現(xiàn)的長1長0情況，又能滿足高速信號變換的要求。
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2.?電容的等效電路
1）電容器件并不是純粹的電容，而是帶有ESR、ESL、Rleak等分量的小型電路。
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2）ESL取決于電容的類型和封裝，ESR取決于工作的溫度、頻率、導(dǎo)線電阻等等。
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3）多數(shù)情況下，ESR越小越好，直流耦合時高頻衰減較小，濾波時為噪聲提供低阻抗回路。多個電容并聯(lián)可以減小ESR，相當(dāng)于并聯(lián)ESR分量。但是也有例外，需要根據(jù)器件要求選型。
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3.?濾波電容阻抗隨頻率變化的特性
濾波電容的作用機制是為噪聲等干擾提供一條低阻抗回路，在噪聲頻率點上，要求濾波電容的阻抗較小，即當(dāng)噪聲頻率落在諧振點附近時，濾波效果最好。
由諧振頻率公式：F=(ESL×C)-1/2知，C和ESL越大，則諧振頻率越低，即電容對高頻干擾的濾波效果越差；C和ESL越小，諧振頻率越高，越適于濾除高頻干擾。
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1）電容器件的阻抗—頻率變化曲線是一種微笑曲線，曲線的左邊取決于電容分量，右邊取決于ESL分量。
2）濾波電容并聯(lián)以展寬低阻抗頻帶時，不僅要考慮容值搭配，還需要考慮封裝搭配。多個同型號的電容并聯(lián)時，雖不能展寬低阻抗頻帶，但可以減小諧振點處的阻抗。
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2.2.3 高速電路設(shè)計常用的電容
1. 陶瓷電容
其優(yōu)勢是體積小、價格低、穩(wěn)定性好，但容量小。目前常用的陶瓷電容，其容值小的可以到幾十皮法，大的可以到幾十微法。平時常提到的X7R、X5R等都是陶瓷電容，符號含義如下圖：
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陶瓷電容的ESR值一般較小，適合高頻濾波。電容使用必須降額，X7R、X5R至少降額20% ，Y5V不建議在高速電路和環(huán)境溫度變化劇烈的情況下使用。
2.?鉭電容/聚合物鉭電容
鉭電容溫度特性好、ESL值小、高頻濾波性能好、體積小、節(jié)省PCB面積、容值較大等特點。因此鉭電容一般被應(yīng)用在需要大容量電容濾波的場合，如為CPU等高耗能器件濾波。
鉭電容的缺點是耐電壓和耐電流的能力較弱。一般要求鉭電容的工作電壓相對額定電壓降額50%以上。鉭電容還具有很好的自愈能力。遇到以下三種場合之一，鉭電容的額定電壓需降額70%以上使用：
（1）負(fù)載呈現(xiàn)較強的感性；
（2）串聯(lián)電阻??；
（3）瞬變電流較大。容易擊穿金屬鉭介質(zhì)，導(dǎo)致鉭電容失效。
3.?鋁電解電容/聚合物鋁電解電容
鋁電容容量大、耐壓高，但溫度穩(wěn)定性差、精度差、高頻濾波性能差，僅適用于低頻濾波。鉭電容不適用于有較大瞬變電流的場合，而在這種場合下，就需要用到鋁電解電容。電壓至少降額20%使用。
隨著產(chǎn)品使用時間的增加，鋁電解電容內(nèi)部的電解液將逐漸干涸，容量逐漸減小，ESR逐漸增大，濾波效果減弱。所以在高速電路設(shè)計的電容選型中，應(yīng)盡量避免選擇鋁電解電容。
4.?OSCON電容
OSCON電容外形酷似鋁電解電容，其優(yōu)點在于，OSCON電容ESR較小、溫度穩(wěn)定性相對鋁電解電容較好、價格相對鉭電容較低。缺點在于對絕大多數(shù)OSCON電容而言，引腳都是插裝形式，并且體積比較大。
在電路設(shè)計中，DC/DC電源的輸入和輸出部分往往需要布放大容量的鉭電容，成本較高。在這種情況下，可以同樣容值的OSCON電容取代，其成本僅為對應(yīng)鉭電容的幾分之一。
①?陶瓷電容體積小、價格低、穩(wěn)定性好，但容量小。適用于高頻濾波。
②?鉭電容溫度穩(wěn)定性好、ESL值小、高頻濾波性能好、體積小、能節(jié)省PCB面積、并且容值較大，但耐沖擊電壓和沖擊電流的能力較弱。
③?鋁電解電容容量大、耐壓高，但溫度穩(wěn)定性差、精度差、高頻濾波性能差，僅適用于低頻濾波。
④?在電容應(yīng)用中，應(yīng)注意對阻抗—頻率特性曲線的理解。
2.2.4 去耦電容和旁路電容
去耦電容，其作用是為保證器件穩(wěn)定工作而給器件電源提供的本地“小池塘”。在高速運行的器件上，會不斷產(chǎn)生快速變化的電荷需求，對于這種快速的需求，電源模塊無法及時給器件提供電流以補充，只能依靠器件附近的電容給予解決?？梢园央娙堇斫獬善綍r灌滿水的小池塘，一旦小池塘附近的莊稼缺水，能立刻從小池塘得到補充，而無需求助遠(yuǎn)方的水廠。去耦電容還有另一個作用，是為高速運行器件產(chǎn)生的高頻噪聲提供一條就近流入地平面的低阻抗路徑，以避免這些干擾影響該電源的其他負(fù)載。
可以把濾波電容理解為電源的“大池塘”，需要較大容量的電容。
旁路電容，其作用是為前級（如電源產(chǎn)生的高頻噪聲等干擾）提供一條流到地平面的低阻抗路徑，以避免這些干擾影響正在高速工作的器件。
從以上描述可以看出，去耦電容和旁路電容沒有本質(zhì)的區(qū)別，從應(yīng)用上說，依據(jù)公式Z=1/(2πF×C)，其中F是器件工作頻率，它們在高頻下的作用都是為電路中的干擾提供一條流回地平面的低阻抗回路。
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2.3 ?電感選型及應(yīng)用
在電感應(yīng)用于電源濾波電路時，除了考慮濾波性能外，還要考慮電感本身產(chǎn)生的壓降對電路的影響。
2.3.2 電感的作用
1. 通直流、阻交流
DCDC電源產(chǎn)生的開關(guān)噪聲交流成分不希望引入到后級電源平面，需要阻礙交流，應(yīng)用電感可實現(xiàn)。根據(jù)公式Z=jωL，頻率越高，電感阻抗越大，反之，電感阻抗越小。
2.?阻礙交流的變化，保持電流穩(wěn)定
電感相當(dāng)于線圈，通過電流時會產(chǎn)生磁場，電流變化就會產(chǎn)生反方向的感應(yīng)電流，阻礙電流的變化。--楞次定律，它是由俄國物理學(xué)家海因里?！だ愦危℉einrich Friedrich Lenz）在1834年發(fā)現(xiàn)的，哈哈詳情請咨詢物理老師。
3.?濾波
信號電平高速變化，產(chǎn)生大量的高頻諧波，往往需要構(gòu)建低通濾波濾除這些高頻噪聲，常用LC低通濾波。截止頻率Fc=1/π√LC（根號LC）。
2.3.3 電感的應(yīng)用要點
電感參數(shù)：
電感值
直流電阻
自諧振頻率
額定電流
1.?高頻信號用電感
主要用于射頻信號。
（1）主要參數(shù)
①?電感值范圍：0.6～390nH。
②?直流電阻：一般電感值越大，其對應(yīng)的直流電阻也越大。
③?自諧振頻率：可以高達(dá)12GHz。電感值越大，其對應(yīng)的自諧振頻率往往越小。
④?額定電流：幾十毫安到幾百毫安。電感值越大，其對應(yīng)的額定電流往往越小。
（2）特點
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從上圖可知，工作頻率小于諧振頻率時，電感值基本保持穩(wěn)定；工作頻率超過諧振頻率后，電感值將會迅速增大，頻率繼續(xù)增大并達(dá)到一定程度后，電感值還會迅速減小。
在應(yīng)用中，應(yīng)選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感。
對于高頻信號用電感而言，諧振頻率點一般在1GHz以上，因此該類電感可支持很高的工作頻率。
2.?一般信號用電感
主要用在高速信號上。
（1）主要參數(shù)
①?電感值范圍：0.01～1000μH。
②?直流電阻：電感值越大，對應(yīng)的直流電阻也越大。一般信號用電感，其直流電阻比高頻信號用電感和電源用電感大一些，最小的直流電阻一般為100mΩ，大的可達(dá)到幾歐姆。
③?自諧振頻率：幾十兆赫茲到幾百兆赫茲。電感值越大，其對應(yīng)的自諧振頻率越小。
④?額定電流：幾毫安到幾十毫安。電感值越大，其對應(yīng)的額定電流越小。
（2）特點
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工作頻率低于諧振頻率時，電感值基本保持穩(wěn)定；但工作頻率超過諧振頻率后，電感值將會先增大，達(dá)到一定頻率后，將迅速減小。
從阻抗頻率曲線圖可知，工作頻率低于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電感性，阻抗隨著頻率的升高而增大；當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電容性，阻抗隨著頻率的升高而減小。
因此，在應(yīng)用中，應(yīng)選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感。
對于一般信號用電感而言，諧振頻率點一般在幾百兆赫茲之內(nèi)，該類電感也是高速電路設(shè)計中最常用的電感。高速設(shè)計中的板間互連信號，紋波比板內(nèi)信號大，可以使用一般信號用電感加以濾波。設(shè)計中需要注意，高頻信號用電感和一般信號用電感額定電流都比較小，而直流電阻相對較大，不建議用于電源濾波。
3.?電源用電感
主要用在電源電路中。
（1）主要參數(shù)
①?電感值范圍：1～470μH。
②?直流電阻：電感值越大，其對應(yīng)的直流電阻也越大。最小的直流電阻一般為幾毫歐，大的有幾歐姆。
③?自諧振頻率：幾十兆赫茲到幾百兆赫茲。電感值越大，其對應(yīng)的自諧振頻率越小。
④?額定電流：幾十毫安到幾安。電感值越大，對應(yīng)的額定電流越小。
（2）特點
諧振頻率點一般在幾十兆赫茲之內(nèi)，該類電感是高速電路設(shè)計中電源濾波最常用的電感。
（3）注意：
①?電感與電容構(gòu)成低通濾波器時，需要注意防止噪聲頻率點與諧振頻率點重合，以免共振。
②?電感串聯(lián)在電源電路中，需考慮電感器件的壓降。
③?針對設(shè)計需求，選擇類型適合的電感。信號線上使用的電感，重點考查其品質(zhì)因數(shù)頻率特性曲線；電源電路上使用的電感，應(yīng)重點考查其直流電阻、額定電流等參數(shù)。
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2.4 磁珠
磁珠可以吸收電源、信號上的噪聲干擾。
2.4.2 磁珠的選型及應(yīng)用要點
磁珠的很多考慮因素和電感相同。
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磁珠的阻抗Z由電阻成分R，和電抗成分（電感）共同決定。在低頻段，X起主導(dǎo)作用，磁珠主要體現(xiàn)為電感性，功能是反射噪聲；在高頻段，R起決定作用，磁珠主要體現(xiàn)為電阻性，功能是吸收噪聲并將噪聲轉(zhuǎn)換為熱。這兩種功能的轉(zhuǎn)換點就是曲線上，R和X值相等處的頻率。--轉(zhuǎn)換點頻率
在磁珠選型時，需要仔細(xì)分析電路上信號和噪聲所處的頻帶，所選擇的磁珠應(yīng)滿足：電路噪聲的頻帶大于磁珠轉(zhuǎn)換點頻率，以便使磁珠吸收噪聲而不是反射噪聲；電路信號的頻帶盡量小于磁珠轉(zhuǎn)換點頻率，以防有效信號被磁珠衰減。
除了轉(zhuǎn)換點頻率外，磁珠選型還需要考慮額定電流、直流電阻和諧振頻率等因素。與電感類似，磁珠應(yīng)用于電源電路濾波時，工作電流不能大于其額定電流；磁珠本身具有直流電阻，當(dāng)電源電路的電流較大時，還應(yīng)考慮在磁珠上產(chǎn)生的壓降。當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時，磁珠表現(xiàn)出電容性，阻抗迅速減小，因此應(yīng)選擇諧振頻率點高的磁珠。此處需要特別注意的是，磁珠的轉(zhuǎn)換點頻率和諧振頻率，在意義上有所不同。
