如何設計混合集成電路的電磁兼容

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電磁兼容設計 　　在混合集成電路電磁兼容性設計時(shí)首先要做功能性檢驗，在方案已確定的電路中檢驗電磁兼容性指標能否滿(mǎn)足要求，若不滿(mǎn) 足就要修改參數來(lái)達到指標，如發(fā)射功率、工作頻率、重新選擇器件等。其次是做防護性設計，包括濾波、屏蔽、接地與搭接設 計等。第三是做布局的調整性設計，包括總體布局的檢驗，元器件及導線(xiàn)的布局檢驗等。通常，電路的電磁兼容性設計包括：工 藝和部件的選擇、電路布局及導線(xiàn)的布設等。 　　3.1工藝和部件的選取 　　混合集成電路有三種制造工藝可供選擇，單層薄膜、多層厚膜和多層共燒厚膜。薄膜工藝能夠生產(chǎn)高密度混合電路所需的小 尺寸、低功率和高電流密度的元器件，具有高質(zhì)量、穩定、可靠和靈特點(diǎn)，適合于高速高頻和高封裝密度的電路中。但只能 做單層布線(xiàn)且成本較高。多層厚膜工藝能夠以較低的成本制造多層互連電路，從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō)，多層布線(xiàn)可以減小線(xiàn)路板 的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因為可以設置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號與地線(xiàn)之間的距離僅為層間距離。這樣，板 上所有信號的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。 　　其中多層共燒厚膜工藝具有更多的優(yōu)點(diǎn)，是目前無(wú)源集成的主流技術(shù)。它可以實(shí)現更多層的布線(xiàn)，易于內埋元器件，提高組 裝密度，具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。此外，與薄膜技術(shù)具有良好的兼容性，二者結合可實(shí)現更高組裝密度和更好性能 的混合多層電路。 　　混合電路中的有源器件一般選用裸芯片，沒(méi)有裸芯片時(shí)可選用相應的封裝好的芯片，為得到最好的EMC特性，盡量選用表貼 式芯片。選擇芯片時(shí)在滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)指標的前提下，盡量選用低速時(shí)鐘在 HC能用時(shí)絕不使用AC，CMOS4000能行就不用HC。電容 應具有低的等效串聯(lián)電阻，這樣可以避免對信號造成大的衰減。 混合電路的封裝可采用可伐金屬的底座和殼蓋，平行縫焊，具有很好的屏蔽作用。 　　3.2電路的布局 　　在進(jìn)行混合微電路的布局劃分時(shí)，首先要考慮三個(gè)主要因素：輸入/輸出引腳的個(gè)數，器件密度和功耗。一個(gè)實(shí)用的規則是 片狀元件所占面積為基片的20% ，每平方英寸耗散功率不大于2W。 在器件布置方面，原則上應將相互有關(guān)的器件盡量靠近，將數字電路、模擬電路及電源電路分別放置，將高頻電路與低頻電 路分開(kāi)。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。對時(shí)鐘電路和高頻電路等主要干擾和輻射源應單 獨安排，遠離敏感電路。輸入輸出芯片要位于接近混合電路封裝的I/O出口處。 高頻元器件盡可能縮短連線(xiàn)，以減少分布參數和相互間的電磁干擾，易受干擾元器件不能相互離得太近，輸入輸出盡量遠離 。震蕩器盡可能靠近使用時(shí)鐘芯片的位置，并遠離信號接口和低電平信號芯片。元器件要與基片的一邊平行或垂直，盡可能使元 器件平行排列，這樣不僅會(huì )減小元器件之間的分布參數，也符合混合電路的制造工藝，易于生產(chǎn)。 在混合電路基片上電源和接地的引出焊盤(pán)應對稱(chēng)布置，最好均勻地分布許多電源和接地的I/O連接。裸芯片的貼裝區連接到最 負的電位平面。 在選用多層混合電路時(shí)，電路板的層間安排隨著(zhù)具體電路改變，但一般具有以下特征。 （1）電源和地層分配在內層，可視為屏蔽層，可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾，減小高頻電源的分布阻抗。 （2）板內電源平面和地平面盡量相互鄰近，一般地平面在電源平面之上，這樣可以利用層間電容作為電源的平滑電容，同 時(shí)接地平面對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。 （3）布線(xiàn)層應盡量安排與電源或地平面相鄰以產(chǎn)生通量對消作用。 　　3.3導線(xiàn)的布局 　　在電路設計中，往往只注重提高布線(xiàn)密度，或追求布局均勻，忽視了線(xiàn)路布局對預防干擾的影響，使大量的信號輻射到空間 形成干擾，可能會(huì )導致更多的電磁兼容問(wèn)題。因此，良好的布線(xiàn)是決定設計成功的關(guān)鍵。 　　3.3.1 地線(xiàn)的布局 　　地線(xiàn)不僅是電路工作的電位參考點(diǎn)，還可以作為信號的低阻抗回路。地線(xiàn)上較常見(jiàn)的干擾就是地環(huán)路電流導致的地環(huán)路干擾 。解決好這一類(lèi)干擾問(wèn)題，就等于解決了大部分的電磁兼容問(wèn)題。地線(xiàn)上的噪音主要對數字電路的地電平造成影響，而數字電路 輸出低電平時(shí)，對地線(xiàn)的噪聲更為敏感。地線(xiàn)上的干擾不僅可能引起電路的誤動(dòng)作，還會(huì )造成傳導和輻射發(fā)射。因此，減小這些 干擾的重點(diǎn)就在于盡可能地減小地線(xiàn)的阻抗（對于數字電路，減小地線(xiàn)電感尤為重要）。 地線(xiàn)的布局要注意以下幾點(diǎn)[3]： 　�。�1）根據不同的電源電壓，數字電路和模擬電路分別設置地線(xiàn)。 　�。�2）公共地線(xiàn)盡可能加粗。在采用多層厚膜工藝時(shí)，可專(zhuān)門(mén)設置地線(xiàn)面，這樣有助于減小環(huán)路面積，同時(shí)也降低了接受天 線(xiàn)的效率。并且可作為信號線(xiàn)的屏蔽體。 　�。�3）應避免梳狀地線(xiàn)，這種結構使信號回流環(huán)路很大，會(huì )增加輻射和敏感度，并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的 誤操作。 　�。�4）板上裝有多個(gè)芯片時(shí)，地線(xiàn)上會(huì )出現較大的電位差，應把地線(xiàn)設計成封閉環(huán)路，提高電路的噪聲容限。 　�。�5）同時(shí)具有模擬和數字功能的電路板，模擬地和數字地通常是分離的，只在電源處連接。 3.3.2 電源線(xiàn)的布局 　　一般而言，除直接由電磁輻射引起的干擾外，經(jīng)由電源線(xiàn)引起的電磁干擾最為常見(jiàn)。因此電源線(xiàn)的布局也很重要，通常應遵 守以下規則[3,4]。 　�。�1）電源線(xiàn)盡可能靠近地線(xiàn)以減小供電環(huán)路面積，差模輻射小，有助于減小電路交擾。不同電源的供電環(huán)路不要相互重疊 。 　�。�2）采用多層工藝時(shí)，模擬電源和數字電源分開(kāi)，避免相互干擾。不要把數字電源與模擬電源重疊放置，否則就會(huì )產(chǎn)生耦 合電容，破壞分離度。 　�。�3）電源平面與地平面可采用完全介質(zhì)隔離，頻率和速度很高時(shí)，應選用低介電常數的介質(zhì)漿料。電源平面應靠近接地平 面，并安排在接地平面之下，對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。 　�。�4）芯片的電源引腳和地線(xiàn)引腳之間應進(jìn)行去耦。去耦電容采用0.01uF的片式電容，應貼近芯片安裝，使去耦電容的回路 面積盡可能減小。 　�。�5）選用貼片式芯片時(shí)，盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片，可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積，有利于 實(shí)現電磁兼容。 　　3.3.3信號線(xiàn)的布局 　　在使用單層薄膜工藝時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)便適用的方法是先布好地線(xiàn)，然后將關(guān)鍵信號，如高速時(shí)鐘信號或敏感電路靠近它們的地回路布置，最后對其它電路布線(xiàn)。信號線(xiàn)的布置最好根據信號的流向順序排，使電路板上的信號走向流暢。 如果要把EMI減到最小，就讓信號線(xiàn)盡量靠近與它構成的回流信號線(xiàn)，使回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。低電平信 號通道不能靠近高電平信號通道和無(wú)濾波的電源線(xiàn)，對噪聲敏感的布線(xiàn)不要與大電流、高速開(kāi)關(guān)線(xiàn)平行。如果可能，把所有關(guān)鍵 走線(xiàn)都布置成帶狀線(xiàn)。不相容的信號線(xiàn)（數字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等）應相互遠離，不要平 行走線(xiàn)。信號間的串擾對相鄰平行走線(xiàn)的長(cháng)度和走線(xiàn)間距極其敏感，所以盡量使高速信號線(xiàn)與其它平行信號線(xiàn)間距拉大且平行長(cháng) 度縮小。 　　導帶的電感與其長(cháng)度和長(cháng)度的對數成正比，與其寬度的對數成反比。因此，導帶要盡可能短，同一元件的各條地址線(xiàn)或數據 線(xiàn)盡可能保持長(cháng)度一致，作為電路輸入輸出的導線(xiàn)盡量避免相鄰平行最好在之間加接地線(xiàn)，可有效抑制串擾。低速信號的布線(xiàn) 密度可以相對大些，高速信號的布線(xiàn)密度應盡量小。 　在多層厚膜工藝中，除了遵守單層布線(xiàn)的規則外還應注意：盡量設計單獨的地線(xiàn)面，信號層安排與地層相鄰。不能使用時(shí)，必 須在高頻或敏感電路的鄰近設置一根地線(xiàn)。分布在不同層上的信號線(xiàn)向應相互垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合干擾 ；同一層上的信號線(xiàn)保持一定間距，最好用相應地線(xiàn)回路隔離，減少線(xiàn)間信號串擾。每一條高速信號線(xiàn)要限制在同一層上。信號 線(xiàn)不要離基片邊緣太近，否則會(huì )引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng)，增加向外的輻射。 　　3.3.4 時(shí)鐘線(xiàn)路的布局 　　時(shí)鐘電路在數字電路中占有重要地位，同時(shí)又是產(chǎn)生電磁輻射的主要來(lái)源。一個(gè)具有2ns上升沿的時(shí)鐘信號輻射能量的頻譜 可達160MHz。因此設計好時(shí)鐘電路是保證達到整個(gè)電路電磁兼容的關(guān)鍵關(guān)于時(shí)鐘電路的布局，有以下注意事項： 　�。�1）不要采用菊花鏈結構傳送時(shí)鐘信號，而應采用星型結構，即所有的時(shí)鐘負載直接與時(shí)鐘功率驅動(dòng)器相互連接。 　�。�2）所有連接晶振輸入/ 輸出端的導帶盡量短，以減少噪聲干擾及分布電容對晶振的影響。 　�。�3）晶振電容地線(xiàn)應使用盡量寬而短的導帶連接至器件上；離晶振最近的數字地引腳，應盡量減少過(guò)孔。 容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持