آموزش طراحی بردهای فرکانس بالا + دانلود کتاب

میلاد جهاندیده دانلود کتاب(کتاب های مهندسی برق و الکترونیک), برد مدار چاپی PCB

قبل از آموزش طراحی بردهای فرکانس بالا به تشریح معنی فرکانس بالا میپردازیم. بردهای فرکانس بالا یعنی سیگنال های الکتریکی با فرکانس بالا از مسیرهای (trace) روی برد و درون برد (بردهای چند لایه) عبور می کنند.

در طراحی برد مدار چاپی یا PCB اصولی که برای خطوط لاین ها و پدها و via ها برای مدارات معمولی وجود دارد. در صورتیکه بردهای فرکانس بالا و مسائل فرکانس بالا داشته باشیم دستخوش تغییرات و اصلاحات زیادی می شود. به عنوان نمونه به دو مورد زیر در که در طراحی بردهای فرکانس بالا مشکل ساز می شوند دقت کنید.

اثر پوسته در PCB

با افزایش فرکانس، چگالی جریان منتشر شده در سطح هادی یا کابل در مقایسه با مرکز آن افزایش می یابد که این پدیده اثر پوسته (Skin Effect) نامیده می شود.

مقاومت سری متغیر با فرکانس

با دور شدن چگالی جریان از مرکز هادی (اثر پوسته) در اثر افزایش فرکانس ، مقاومت موثر هادی افزایش یافته، تلفات سیگنال را در پی خواهد داشت و به صورت یک مقاومت سری متغیر با فرکانس عمل می کند بنابراین لازم است تلفات ایجاد شده بر اثر وقوع این پدیده در طراحی سیستم های فرکانس بالا مورد توجه قرار گیرد.

مطلب مرتبط : نرم افزار های پیشرفته طراحی برد

علت یادگیری طراحی بردهای فرکانس بالا

با توجه به پیشرفت هایی که در عرصه پردازش دیجیتال صورت گرفته و موبایلها نیز به پردازنده هایی (Processor) مجهز شده اند که امکان پردازش سیگنال با سرعت بالا را به آنها میدهند. که هر روز بر سرعت پردازش این پردازنده ها افزوده می شود لذا طراحی بردهای فرکانس بالا مطرح می شود.

در عین حال بردهای موبایل ، بردهای رادیویی یا RF هستند یعنی با سیگنال های رادیویی نیز سرو کار دارند. بنابر این طراحی آن ها از پیچیدگی خاصی برخوردار است.

در گذشته فرکانس سیستمها از حد چند مگاهرتز تجاوز نمی کرد و بردهای مدار چاپی یا PCB یک یا دو لایه تنها به عنوان بستری جهت قرار دادن المانها و برقراری ارتباط بین آنها مورد استفاده قرار می گرفت. همچنین نحوه اتصال و قرار گیری المانها و مسیرها تاثیری در کارایی سیستم نداشت.

اما امروزه با افزایش فرکانس تا حد چند گیگاهرتز، پدیده های جدیدی امکان وقوع خواهند داشت که در صورت عدم طراحی صحیح برد و عدم آشنایی با اصول لازم در این زمینه، به بروز اختلال در عملکرد سیستم منجر می شوند. از این رو لازم است نحوه طراحی برد و مسیر کشی یا Routing سیگنالها با دقت بیشتری مورد توجه قرار گیرد.

عوامل تاثیر گذار در بازنگری نحوه طراحی سیستم های جدید

کاهش ابعاد المان های مدار و فاصله بین آنها
کاهش عرض مسیر سیگنال ها و فاصله بین مسیرها
کاهش ولتاژ تغذیه سیستم و افزایش جریان آن
کاهش حاشیه نویز یا Noise margin
افزایش فرکانس و نرخ انتقال اطلاعات در سیتم های دیجیتال
المان های سوئیچینگ با جریان بالا
تراشه هایی با تعداد پایه های ورودی-خروجی زیاد

مطلب مرتبط : فیلتر های EMI

با توجه به مطالب فوق، آگاهی و رعایت نکات لازم در طراحی برد به منظور موارد زیر ضروری است.به طوریکه عدم رعایت این نکات به عملکرد نامطلوب سیستم و طولانی شدن زمان عیب یابی آن منتهی می شود.

حفظ کیفیت سیگنال ها
جلوگیری از تاثیر متقابل قسمت های مختلف یک سیستم
اثر سیستم های مختلف به روی یکدیگر
سازگاری باEMC Electromagnetic Compatibility

مطلب مرتبط : نویز چیست و روش های کاهش نویز

عوارض ناشی از عدم رعایت اصول طراحی بردهای فرکانس بالا

یکی از مهمترین نکات در این زمینه آنست که مشکلات ایجاد شده در این خصوص ممکن است تکرار پذیر نبوده، در هنگام تست سیستم بروز نکند و پس از تولید سیستم و استفاده مصرف کننده در شرایط خاص محیطی یا الگوی خاصی از شکل موج ورودی سیستم اثر خود را نشان دهد. متاسفانه اغلب طراحان بدون آگاهی و رعایت این نکات به طراحی سیستم مبادرت می ورزند که همین امر باعث می شود که در فرایند عیب یابی و راه اندازی سیستم، با سوالات و نکات مبهم زیادی مواجه شوند به همین دلیل آشنایی با برخی مفاهیم و به کارگیری آنها ضروری به نظر میرسد.در ادامه با وبسایت میکرودیزاینر الکترونیک باشید تا به برسی بعضی از این مفاهیم بپردازیم.

با رعایت قیود لازم در طراحی برد هزینه و زمان اتمام آن کاهش یافته و لذا تولید به صرفه خواهد بود.

حوزه زمان و حوزه فرکانس

اغلب طراحان دیجیتال، سیستم را در حوزه زمان و با توجه به پارامترهایی از قبیل زمان صعود سیگنال یا تاخیر انتشار توصیف می کنند در حالی که جهت تحلیل و بررسی بسیاری از پدیده ها در سیستم های آنالوگ از حوزه فرکانس استفاده می شود.

پارامترهای جدید در طراحی سیستم

اثر متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی

کاهش ابعاد سیستم ها طراحان بردهای الکترونیکی را بر آن واداشته است که المان ها و مسیر سیگنال ها را در کمترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار دهند که همین امر موجب شده است اثر متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی تولید شده توسط اجزای مختلف مدار بیش از قبل مورد توجه قرار گیرد.

مسیرهای موجود به روی برد

اتصال بین المان های مختلف سیستم از مبدا تا مقصد توسط سیم، کابل یا مسیرهای موجود به روی برد برقرار می شود. در فرکانس های پایین می توان این مسیر ها را به صورت ایده آل در نظر گرفت. اما با افزایش فرکانس، خاصیت سلفی، خازنی، و مقاومتی مسیر اثر خود را نشان می دهد و لازم است در طراحی سیستم مورد توجه قرار گیرد زیرا امپدانس ایجاد شده توسط این المان ها به تضعیف سیگنال در فرکانس های بالا منتهی می شود.

زمان صعود-نزول سیگنال ها و شکل موج ها

شکل موج های واقعی بر خلاف حالت ایده آل دارای زمان صعود مشخصی می باشند و با توجه به آنکه مسیرهای اتصال دهنده المان های موجود به روی برد سیستم (track=trace) نیز دارای خاصیت سلفی هستند، ولتاژ ایجاد شده در دوسر آن ها طبق رابطه V=L*di/dt محاسبه می شود، L بیانگر اندوکتانس مدار ، di مقدار تغییر جریان و dt زمان انجام این تغییر است که متناسب با زمان صعود یا نزول سیگنال می باشد.

مقدار ولتاژ ایجاد شده نیز معیاری از میزان نویز سیستم می باشد، بنابراین مطابق با رابطه فوق با کاهش زمان صعود سیستم یا افزایش فرکانس آن، نویز ایجاد شده در سیستم افزایش می یابد. همچنین جریان دینامیک سیستم که توسط رابطه I=C dv/dt محاسبه می شود نیز بیشتر می شود.

مطلب پیشنهادی: دانلود کتاب مدار های الکتریکی هیت

اثرات سلفی و خازنی المان ها

به این ترتیب با افزایش فرکانس اثرات سلفی و خازنی المان های مدار که در فرکانس های پایین از آنها صرف نظر می شود، قابل چشم پوشی نمی باشد. پس مسیرهای اتصال دهنده المان ها به روی برد سیستم، به صورت مجموعه ای از سلف ها و خازن ها مدل سازی می شوند که این مدل، مدل خط انتقال نامیده می شود.

تنها فرکانس سیگنال ها عامل تعیین کننده نمی باشد

باید توجه داشت که بر خلاف تصور رایج، تنها فرکانس سیگنال ها عامل تعیین کننده نمی باشد بلکه زمان صعود و نزول سیگنال نیز معیار تصمیم گیری است. به عنوان مثال طراحی سیستمی با فرکانس کاری 100MHz و زمان صعود و نزول 2ns ساده تر از طراحی سیستمی مشابه با فرکانس 50MHz و زمان صعود 1ns می باشد.

مدل خط انتقال

در حالتی که ابعاد فیزیکی و طول مسیرهای برد، قابل مقایسه با طول موج بالاترین مولفه فرکانسی سیستم باشند نیز باید از مدل خط انتقال به منظور تحلیل سیستم استفاده شود.

طول موج مطابق رابطه λ=c/f محاسبه می شود که در این رابطه، c سرعت انتشار سیگنال بر روی برد مدار چاپی است که با توجه به نوع ماده برابر نصف تا دوسوم سرعت انتشار موجود در خلا (3X10^8 m/s) می باشد و f بیانگر بالاترین مولفه فرکانسی سیستم است.

مثال

به عنوان مثال اگر بیشترین مولفه فرکانسی برابر 1GHz باشد در آن صورت طول موج مدار برابر است با :

λ=c/f=1.5X10^8/10^9=1.5cm

در زمینه ساخت مدارات فرکانس بالا در ایران فعالیت هایی انجام شده و شرکت هایی هم در این زمینه فعال هستن و قبلا شخصا از نزدیک این شرکت ها دیدم و متوجه سختی و ها تک بودن کار آنها هستم ولی خبر زیر از خبر گزاری ایسنا برام جالب بود که شامل مطالب علمی است و مطالعه آن خالی از لطف نیست.

ساخت بردهای مدارچاپی فرکانس بالا

محققان پارک علم و فناوری یزد با پشتیبانی صندوق حمایت از تحقیقات و توسعه صنایع الکترونیک (صحا) به دنبال طراحی و ساخت بردهای فرکانس بالا هستند.

به گزارش ایسنا، در حال حاضر تکنیک‌ها و فناوری‌های موجود در کشور که عمدتا فناوری لیتوگرافی است، امکان چاپ و تهیه صنعتی با چنین مدار چاپی‌هایی را با دقت بهتر از ۲۰۰ میکرون فراهم نمی‌آورند؛ اما با انجام این طرح و حمایت صحا، فرآیند ساخت و نمونه‌سازی بردهای مدارچاپی فرکانس بالا به روش لیتوگرافی و با دقت کمتر از ٧٠ میکرون فراهم خواهد شد.

مسعود موحدی، مدیرعامل شرکت مجری طرح از شرکت‌های مستقر در پارک علم و فناوری استان یزد با بیان اینکه امروزه با پیشرفت تکنولوژی، یکی از جنبه‌های حائز اهمیت صنایع الکترونیک و مخابرات، افزایش سرعت انتقال اطلاعات و به حداقل رساندن زمان لازم برای انتقال حجم زیادی از اطلاعات است، گفت: یکی از مهمترین روش‌هایی که در این زمینه پیش روی مهندسان برق برای افزایش نرخ ارسال داده و اطلاعات قرار دارد، افزایش فرکانس کاری سیستم‌های مخابراتی و در پی آن، افزایش فرکانس کاری سخت افزار این سیستم‌ها است.

یکی از ملزومات سیستم‌های مخابراتی جدید، طراحی مدارها و زیر سیستم‌های الکترونیکی و مخابراتی برای کار در فرکانس‌های بالا است، تصریح کرد: برای طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی که بتوانند تا فرکانس‌های بسیار بالا (که امروزه به حد چند صد گیگا هرتز رسیده است و در آینده‌ای نزدیک به بالاتر از این فرکانس‌ها نیز خواهد رسید) کار کنند، باید شرایط به خصوصی فراهم شده و فناوری خاصی مورد استفاده قرار گیرد. فناوری‌های جدید مثل میکروالکترونیک و نانوالکترونیک دقیقا در همین راستا توسعه یافته و استفاده از آنها به دلایل بیان شده روز به روز بیشتر نیز می‌شود.

برای رسیدن به یک سیستم مخابراتی در فرکانس‌های بالا، بلوک‌ها و زیربخش‌های متعددی که هر کدام وظیفه خاصی را ایفا می‌کنند، باید در کنار یکدیگر قرار بگیرند تا سیستم کلی شکل گرفته و عملکرد مورد نظر را از خود نشان دهد. این بلوک‌ها و زیرسیستم‌ها را از یک دیدگاه می‌توان به دو دسته کلی تقسیم بندی کرد.

عناصر فعال

بلوک‌هایی که شامل عناصر فعال هستند که امروزه عمدتا به صورت مدارهای مجتمع (IC) تولید می‌شوند

مثل تقویت‌کننده‌ها
تقویت‌کننده‌های کم نویز
نوسان‌سازها
میکسرها

عناصر غیر فعال

و بلوک‌های دیگر که تنها شامل عناصر غیر فعال بوده و تحت عنوان زیر سیستم‌های غیر فعال شناخته می‌شوند. از این دسته می‌توان به به موارد زیر اشاره کرد. در تهیه این بلوک‌ها بسته به نوع کاربرد، از ساختارهای متفاوتی می‌توان بهره گرفت.

خطوط انتقال
کوپلرها
تقسیم‌کننده‌های توان
آنتن‌ها و غیره

خطوط انتقال صفحه‌ای

در بسیاری از کاربردها در سیستم‌های مخابراتی متعدد، به علت محاسنی که خطوط انتقال صفحه‌ای (planar structures) از خود نشان می‌دهند، عمدتا از این ساختارها در تحقق بلوک‌های غیرفعال استفاده می‌شود ، این خطوط انتقال که ساختاری مشابه مدارهای چاپی معمولی (PCB) دارند، به علت سازگاری با مدارهای مجتمع و امکان اتصال مستقیم بلوک‌های فعال به آنها، بسیار زیاد مورد توجه قرار گرفته و کاربرد زیادی در فرکانس‌های بالا پیدا کرده‌اند.

تکنولوژی ساخت و تولید این ساختارها که عمدتا به چهار گروه تقسیم بندی می‌شوند،

Stripline
Slotline
Microstrip
Coplanar Waveguide CPW

با بالا رفتن فرکانس پیچیده‌تر شده و دیگر قابل تولید به روش‌های سنتی مورد استفاده در تولید مدارهای چاپی معمولی نیستند. به عنوان مثال، در طراحی ساختارهای صفحه‌ای در فرکانس‌های چند ده و یا چند صد گیگا هرتز لازم خواهد بود که ساختارهایی با عرض نوار فلزی (strip) و فواصل هوایی (gap space) کمتر از ١٠٠ mm با دقت چند میکرون تولید شوند. متاسفانه در حال حاضر، فناوری‌های موجود امکان چاپ و تهیه چنین ساختارهایی را با دقت بیان شده فراهم نمی‌آورند. بنابراین در این طرح سعی شده است، ضعف فناوری که در کشور وجود دارد ، رفع شود.

موحدی درباره بازار مصرف این محصول اظهار کرد: امروزه صنایع مختلفی از سیستم‌ها و زیرسیستم‌های فرکانس بالا استفاده می‌کنند که از آن جمله می‌توان به صنایع الکترونیکی و مخابراتی مختلف و همچنین صنایع نظامی اشاره کرد.

وی با تاکید بر اینکه با بومی‌ و صنعتی‌شدن این فناوری، نیاز به واردکردن این مدارها از کشورهای دیگر رفع خواهد شد، خاطرنشان کرد: در واقع امروزه خیلی از این مدارات برای تولید به شرکت‌های خارجی سفارش داده می‌شوند که با این‌کار، هم از خارج شدن ارز برای تولید این مدارات در خارج از کشور جلوگیری می‌شود و هم در زمان تهیه این مدارات صرفه‌جویی خواهد شد.

مطلب پیشنهادی: دانلود کتاب مقدمات مکاترونیک و روباتیک

منبع خبر ایسنا ، لینک منبع خبر در آخر نوشته آورده شده

مطلب مرتبط : آموزش آلتیوم دیزاینر

فیلمی از طراحی یک برد فرکانس بالا

در بین آموزش و قبل از معرفی و گذاشتن لینک دانلود کتاب بد نیست این فیلم کوتاه را ببینید.

معرفی کتاب طراحی بردهای فرکانس بالا

البته یک کتاب فارسی هم در این مورد قبلا دیده بودم ولی الان نتونستم لینکش را پیدا کنم تا اگر مدت زمانی از کپی رایت آن گذشته باشد آن را برای دوستان در سایت قرار بدم. ولی این مقدمه کتاب اصول طراحی بردهای فرکانس بالا آقای مهندس کاوه فارغی که اخرین چاپش را 1 فروردین 1388 دیدم ، البته شاید از دوستان زحمت ترجمه کتاب جدید را کشیدن … قبلا شده در میکرو دیزاینر الکترونیک کتابی را معرفی کردیم و همکاران ترجمه کردن و این باعث افتخار و خشنودی ما بوده ، خب مقدمه را بد نیست بخونید و دید کلی داشته باشید :

با نیاز روز افزون تکنولوژی و افزایش فرکانس سیگنالهای در سیستم های مدرن امروزی، پدیده های جدیدی رخ می دهد که عدم توجه به آنها در مرحله طراحی به مشکلاتی قبیل کاهش کیفیت سیگنال ها، تشعشعات ناخواسته، افزایش نویز و موارد مشابه منتهی می شود. نکته دیگری که باید توجه داشت آنست که امکان وقوع پدیده های فوق و اثرات نا مطلوب آنها به طور مستقیم با موارد زیر در ارتباط می باشد:

طول مسیر سیگنالها به روی برد
زمان صعود یا نزول سیگنال
فرکانس

ولی کتاب زیر با عنوان کتاب اصول طراحی بردهای پیشرفته از همین نویسنده در بازار موجود هستش که میتونید تهیه کنید. فهرست کتاب را هم در زیر آوردم شاید کمکتون کنه.

فهرست مطالب کتاب اصول طراحی بردهای پیشرفته

فصل اول : مقدمه

تغییر فن آوری
تقسیم بندی سیستم های فرکانس بالا
حوزه زمان و فرکانس

فصل دوم : بردهای مدار چاپی

فرایند ساخت برد
بردهای چند لایه
امپدانس مسیرها

فصل سوم : ملاحظات تولید مونتاژ و تست برد

روش های مونتاژ برد
تراشه ای BGA

فصل چهارم : مراحل طراحی برد

طراحی شماتیک
نحوه چینش لایه ها

فصل پنجم : خطوط انتقال

امپدانس خط انتقال
بازتابش سیگنال ها
اندازه گیری بازتابس سیگنال ها
پایان دهی خط انتقال

فصل ششم : نکات طراحی بردهای فرکانس بالا

مسیر برگشت و حلقه جریان
نویز سوییچینگ همزمان
هم شنوایی سیگنال ها

فصل هفتم : سیگنال های تفاضلی

مشخصات ارتباط LVDS
آرایش سیستم
نکات طراحی
کابل ها و کانکتورها

فصل هشتم : سیستم تغذیه

مدل خازن
امپدانس هدف
اجزای سیستم تغذیه
خازن های Bulk
خازن های Bypass

فصل نهم : سازگاری الکترومغناطیسی سیستم EMC

استاندادها و روش تست
تخلیه الکتریسیته ساکن
اقدامات در سطح برد
ولتاژ های باگذر سریع
ولتاژ ضربه ای

کتاب انگلیسی بردهای فرکانس بالا

ولی خب اگر بازم این کتاب و کتاب های مشابه موجود در بازار جوابگوی شما نبودن و به سطح بالا و تخصصی تر از دانش طراحی مدارات و PCB های فرکانس بالا نیاز داشتین وبسایت میکرو دیزاینر الکترونیک کتاب های زیر را برای شما آماده کرده و میتونید رایگان دانلود و مطالعه کنید.

مقدمه ای در مورد کتاب انگلیسی بردهای فرکانس بالا

High-Speed Circuit Board Signal Integrity

his is a book for engineers designing high-speed circuit boards. To the signal integrity engineer, this book will be a handbook of formulas and terminology as well as a refresher of basic electrostatic and electromagnetic principals. The high-speed circuit designer will find this book an easy entry into the electromagnetics and physics of high-speed signaling. It introduces concepts fundamental to high-speed signaling, such as lossy transmission line behavior, skin effect, and the characteristics of laminates and surface mount capacitors. The focus throughout is on the effects of dielectric and conductor loss on signal quality, with a particular emphasis on serial differential signaling. Coupling between transmission lines (especially in the context of crosstalk and odd/even modes) is discussed. Besides being useful in serial signaling, this has application to multiconductor busses.

Reflections on transmission lines are only superficially covered in this text. This topic has been extensively covered in the iterature, and the reader of this book is assumed to be familiar with the creation and mitigation of reflections on transmission lines. However, the proper routing and termination of differential pairs has not been as well covered in the literature and so is discussed in Chapter 8. Similarly, power supply decoupling has been thoroughly discussed elsewhere, so the coverage in this book is brief. Instead, the focus here is on managing return paths (something often not well covered) and the electrical characteristics and behavior of capacitors. The material in Chapter 10 is a concise catalog of essential electrical characteristics of discrete capacitors, with a focus on surface mount technology.

مقدمه و سر فصل های کتاب انگلیسی بردهای فرکانس بالا

Preface xiii
CHAPTER 1

Characteristics and Construction of Printed Wiring Boards 1

1.1 Introduction 1
1.2 Unit System 1
1.3 PWB Construction 2
1.3.1 Resins 3
1.3.2 Alternate Resin Systems 3
1.3.3 Reinforcements 5
1.3.4 Variability in Building Stackups 6
1.3.5 Mixing Laminate Types 7
1.4 PWB Traces 7
1.4.1 Copper Cladding 8
1.4.2 Copper Weights and Thickness 9
1.4.3 Plating the Surface Traces 9
1.4.4 Trace Etch Shape Effects 9
1.5 Vias 10
1.5.1 Via Aspect Ratio 13
1.6 Surface Finishes and Solder Mask 14
1.7 Summary 14
References 15
CHAPTER 2

Resistance of Etched Conductors 17

2.1 Introduction 17
2.2 Resistance at Low Frequencies 17
2.3 Loop Resistance and the Proximity Effect 20
2.3.1 Resistance Matrix 21
2.3.2 Proximity Effect 22
2.4 Resistance Increase with Frequency: Skin Effect 24
2.5 Hand Calculations of Frequency-Dependent Resistance 27
2.5.1 Return Path Resistance 28
2.5.2 Conductor Resistance 28
2.5.3 Total Loop Resistance 29
2.6 Resistance Increase Due to Surface Roughness 29
2.7 Summary 30
viiReferences 30
CHAPTER 3

Capacitance of Etched Conductors 31

3.1 Introduction 31

3.2 Capacitance and Charge 31
3.2.1 Dielectric Constant 32
3.3 Parallel Plate Capacitor 33
3.4 Self and Mutual Capacitance 35
3.5 Capacitance Matrix 37
3.6 Dielectric Losses 39
3.6.1 Reactance and Displacement Current 40
3.6.2 Loss Tangent 40
3.6.3 Calculating Loss Tangent and Conductance G 41
3.7 Environmental Effects on Laminate ε
r and Loss Tangent 43
3.7.1 Temperature Effects 44
3.7.2 Moisture Effects 44
3.8 Summary 45
References 45
CHAPTER 4

مطلب پیشنهادی: کارت ویزیت USB دار

Inductance of Etched Conductors 47

4.1 Introduction 47
4.2 Field Theory 47
4.2.1 Permeability 48
4.2.2 Inductance 48
4.2.3 Internal and External Inductance 49
4.2.4 Partial Inductance 49
4.2.5 Reciprocity Principal and Transverse Electromagnetic Mode 50
4.3 Circuit Behavior of Inductance 51
4.3.1 Inductive Voltage Drop 53
4.3.2 Inductive Reactance 54
4.4 Inductance Matrix 55
4.4.1 Using the Reciprocity Principle to Obtain the
Inductance Matrix from a Capacitance Matrix 55
4.5 Mutual Inductance 55
4.5.1 Coupling Coefficient 56
4.5.2 Beneficial Effects of Mutual Inductance 57
4.5.3 Deleterious Effects of Mutual Inductance 59
4.6 Hand Calculations for Inductance 60
4.6.1 Inductance of a Wire Above a Return Plane 60
4.6.2 Inductance of Side-by-Side Wires 61
4.6.3 Inductance of Parallel Plates 61
4.6.4 Inductance of Microstrip 63
4.6.5 Inductance of Stripline 63
4.7 Summary 64
References 65
viii ContentsCHAPTER 5

Transmission Lines

5.1 Introduction 67
5.2 General Circuit Model of a Lossy Transmission Line 67
5.2.1 Relationship Between ωL and R 70
5.2.2 Relationship Between ωC and G 70
5.3 Impedance 71
5.3.1 Calculating Impedance 72
5.4 Traveling Waves 73
5.4.1 Propagation Constant 74
5.4.2 Phase Shift, Delay, and Wavelength 75
5.4.3 Phase Constant at High Frequencies When R and G Are Small 78
5.4.4 Attenuation 79
5.4.5 Neper and Decibel Conversion 80
5.5 Summary and Worked Examples 82
References 86
CHAPTER 6

Return Paths and Power Supply Decoupling 87

6.1 Introduction 87
6.2 Proper Return Paths 87
6.2.1 Return Paths of Ground-Referenced Signals 89
6.2.2 Stripline 90
6.3 Stripline Routed Between Power and Ground Planes 90
6.3.1 When Power Plane Voltage Is the Same as Signal Voltage 90
6.3.2 When Power Plane Voltage Differs from Signal Voltage 93
6.3.3 Power System Inductance 94
6.4 Split Planes, Motes, and Layer Changes 95
6.4.1 Motes 95
6.4.2 Layer Changes 98
6.5 Connectors and Dense Pin Fields 98
6.5.1 Plane Perforation 99
6.5.2 Antipads 99
6.5.3 Nonfunctional Pads 102
6.5.4 Guidelines for Routing Through Dense Pin Fields 103
6.6 Power Supply Bypass/Decoupling Capacitance 105
6.6.1 Power Supply Integrity 106
6.6.2 Distributed Power Supply Interconnect Model 110
6.7 Connecting to Decoupling Capacitors 112
6.7.1 Via Inductance 112
6.8 Summary 114
References 115
CHAPTER 7

Serial Communication, Loss, and Equalization 117

7.1 Introduction 117
7.2 Harmonic Contents of a Data Stream 117
Contents ix7.2.1 Line Spectra 119
7.2.2 Combining Harmonics to Create a Pulse 120
7.2.3 The Fourier Integral 122
7.2.4 Rectangular Pulses with Nonzero Rise Times 123
7.3 Line Codes 125
7.4 Bit Rate and Data Rate 126
7.5 Block Codes Used in Serial Transmission 128
7.6 ISI 130
7.6.1 Dispersion 130
7.6.2 Lone 1-Bit Pattern 131
7.7 Eye Diagrams 132
7.8 Equalization and Preemphasis 134
7.8.1 Preemphasis 134
7.8.2 Passive Equalizers 137
7.8.3 Passive RC Equalizer 139
7.9 DC-Blocking Capacitors 140
7.9.1 Calculating the Coupling Capacitor Value 142
7.10 Summary 145
References 146
CHAPTER 8

Single-Ended and Differential Signaling and Crosstalk 149

8.1 Introduction 149
8.2 Odd and Even Modes 149
8.2.1 Circuit Description of Odd and Even Modes 150
8.2.2 Coupling Coefficient 153
8.2.3 Stripline and Microstrip Odd- and Even-Mode Timing 155
8.2.4 Effects of Spacing on Impedance 157
8.3 Multiconductor Transmission Lines 158
8.3.1 Bus Segmentation for Simulation Purposes 159
8.3.2 Switching Behavior of a Wide Bus 160
8.3.3 Simulation Results for Loosely Coupled Lines 161
8.3.4 Simulation Results for Tightly Coupled Lines 162
8.3.5 Data-Dependent Timing Jitter in Multiconductor
Transmission Lines 164
8.4 Differential Signaling, Termination, and Layout Rules 165
8.4.1 Differential Signals and Noise Rejection 165
8.4.2 Differential Impedance and Termination 166
8.4.3 Reflection Coefficient and Return Loss 170
8.4.4 PWB Layout Rules When Routing Differential Pairs 172
8.5 Crosstalk 173
8.5.1 Coupled-Line Circuit Model 175
8.5.2 NEXT and FEXT Coupling Factors 177
8.5.3 Using Kb to Predict NEXT 178
8.5.4 Using Kf to Predict FEXT 179
8.5.5 Guard Traces 179
8.5.6 Crosstalk Worked Example 180
x Contents8.5.7 Crosstalk Summary 182
8.6 Summary 182
References 183
CHAPTER 9

Characteristics of Printed Wiring Stripline and Microstrips 185

9.1 Introduction 185
9.2 Stripline 185
9.2.1 Time of Flight 186
9.2.2 Impedance Relationship Between Trace Width,
Thickness, and Plate Spacing 187
9.2.3 Mask Biasing to Obtain a Specific Impedance 189
9.2.4 Hand Calculation of Z
o
189
9.2.5 Stripline Fabrication 191
9.3 Microstrip 193
9.3.1 Exposed Microstrip 194
9.3.2 Solder Mask and Embedded Microstrip 196
9.4 Losses in Stripline and Microstrip 197
9.4.1 Dielectric Loss 199
9.4.2 Conductor Loss 199
9.5 Microstrip and Stripline Differential Pairs 201
9.5.1 Broadside Coupled Stripline 201
9.5.2 Edge-Coupled Stripline 204
9.5.3 Edge-Coupled Microstrip 205
9.6 Summary 206
References 207

CHAPTER 10

Surface Mount Capacitors

10.1 Introduction 209
10.2 Ceramic Surface Mount Capacitors 209
10.2.1 Dielectric Temperature Characteristics Classification 209
10.2.2 Body Size Coding 211
10.2.3 Frequency Response 212
10.2.4 Inductive Effects: ESL 214
10.2.5 Dielectric and Conductor Losses: ESR 215
10.2.6 Leakage Currents: Insulation Resistance 218
10.2.7 Electrical Model 219
10.2.8 MLCC Capacitor Aging 220
10.2.9 Capacitance Change with DC Bias and Frequency 221
10.2.10 MLCC Usage Guidelines 222
10.3 SMT Tantalum Capacitors 223
10.3.1 Body Size Coding 223
10.3.2 Frequency Response 224
10.3.3 Electrical Model 225
10.3.4 Aging 225
10.3.5 Effects of DC Bias, Temperature, and Relative Humidity 225
Contents xi10.3.6 Failure of Tantalum Capacitors 226
10.3.7 ESR and Self Heating: Voltage and Temperature Derating 227
10.3.8 Usage Guidelines 227
10.4 Replacing Tantalum with High-Valued Ceramic Capacitors 228
References 230
Appendix: Conversion Factors 231
About the Author 233
Index 235