PCB設計中的經驗公式

PCB設計規則中，有大量的經驗公式可供設計者參考。然而，有沒有更簡單的方法來解決實際問題呢？

即使接地銅層沒有直流電阻，它在交流訊號下仍然表現出阻抗。所需的訊號就是它本身；不需要的訊號是雜訊。噪音只是大小不同，不能完全消除。要完全消除噪聲，還必須消除訊號。

實例分析

如圖所示，電源位於PCB頂部，高頻擴大機位於底部。由於電源連接器和擴大機散熱器的原因，這種佈局很常見。假設有一個完整的接地層，預計高頻電流將通過該層流回電源地。

如果PCB的右上角有敏感電路，它們將不可避免地受到這種高頻返回電流的影響。常見的解決方案是隔離敏感電路區域的地，並採用單點地。這樣，來自接地層的高頻幹擾電流就不會流入敏感電路區域，或只會最少地流入敏感電路區域。

成本和權衡

這種方法並非沒有成本。隔離地平面後，原來的高頻電流路徑變小，阻抗增大，導致該區域的干擾電壓較高。此外，接地平面上的隔離區域有效地形成了縫隙天線，增加了 PCB 的 EMI 輻射。因此，在某些情況下，這種地平面隔離的方法可能並不合適，需要根據具體情況進行分析；沒有放諸四海皆準的解決方案。

經驗公式的應用

當應用各種經驗公式時，我們發現僅靠定性分析不足以進行決策。噪音無法消除，但可以最小化。噪音水平應該低到多少才可以接受？ PCB走線可以盡量短，但不能為零；多短才算「夠短」？這些問題需要數值判斷。這就是為什麼我們仍然需要經驗規則中的公式。經驗公式簡化了理論公式的複雜細節，突出了主要問題，並融入了應用場景參數，通常可以提供粗略的估計，而不需要計算軟體或計算器。在這種情況下，速度和簡單性比精度更重要。

地面彈跳問題分析

什麼是地面彈跳？

地彈是指當高頻電流流過寄生電感較高的返迴路徑時，地線上出現的干擾。這種幹擾電壓通常稱為地彈。

多個訊號共享返迴路徑的問題

如果多個訊號共享電路中的返迴路徑，則來自一個訊號的地彈雜訊可能會幹擾其他訊號。同時輸出的數位訊號越多，共享返迴路徑內的電流變化就越大，導致地彈雜訊增加。訊號返迴路徑的地彈電壓可使用下列公式計算：

Vnoise=L⋅dIdtV_{noise} = L \cdot \frac{dI}{dt}Vnoise =L⋅dtdI

接下來，確定返迴路徑的電感：

對於50Ω傳輸線環路電感，經驗公式為：

對於平行訊號線和返迴路徑，如果走線寬度等於走線間距，則總電感為：

此經驗規則可用於估計插座或 IC 引腳走線的電感。如果走線周圍有大面積的銅或間距與走線寬度不匹配，則需要使用 2D 電磁場解算器。

考慮訊號頻率和頻寬

頻率和頻寬是應用 PCB 設計規則的關鍵因素。訊號頻率越高，趨膚效應、走線寄生電感、電容和介電參數的影響越明顯。在計算或估計訊號頻寬時，請注意數位訊號資料速率和類比訊號頻寬是不同的概念，並且在數值上不相等。

訊號頻寬的定義

訊號頻寬是指訊號所佔據的頻率範圍的寬度。如果傳輸線頻寬小於訊號頻寬，就會發生訊號失真。數位訊號頻寬不僅與資料傳輸速率有關，還與上升和下降時間有關。

公式

其中：

• TrT_rTr 是從 10% 到 90% 的上升時間（以 ns 為單位）
• $BW$ 是訊號頻寬（以 GHz 為單位）

訊號頻寬可以粗略地認為是訊號的最高頻率分量或重建具有上升時間的波形所需的最高頻率 TrT_rTr 。這有助於我們考慮電路中的訊號特性。

頻率和頻寬的關係

例如，上升時間為1奈秒，訊號的最高正弦頻率成分為350MHz；上升時間為 350 ps，訊號傳輸線頻寬必須超過 1 GHz，以確保上升時間不會被損壞。

對於頻率恆定的時脈訊號，可以使用經驗公式估計頻寬：

同樣，時脈訊號頻寬由上升時間決定，而不是時脈頻率。具有相同頻率但不同上升時間的時脈訊號具有顯著不同的頻寬。

如果時脈訊號的上升時間參數不可用，則使用經驗規則：

T代表時間段。這是一個相對保守的估計，估計的上升時間可能比實際的時間稍短。一旦知道上升時間，也可以使用以下公式來估計時脈訊號的頻寬：時脈訊號的頻寬是其頻率的五倍。

計算示例

常見問題：2.0 Mbps 的 USB 480 資料傳輸速率的頻寬是多少？

大多數串列訊號使用每週期兩位的 NRZI 編碼，導致潛在的時脈頻率為位元率的一半。因此，對於 480 Mbps 訊號，時脈頻率為 240 MHz，訊號頻寬為 1.0 GHz。

摘要

在PCB設計中，經驗公式為解決現實問題提供了實用參考。雖然不可能完全消除噪聲，但可以透過適當的設計和隔離將其最小化。關鍵因素包括地彈問題和訊號頻寬計算。經驗公式簡化了複雜的計算，幫助設計人員快速估計和最佳化。