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高速單片機硬件關鍵參數(shù)設計概述
摘要:隨著目前新技術、新工藝的不斷出現(xiàn),高速單片機的應用越來越廣,對硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機設計的關鍵點。關鍵詞:高速單片機 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設計
引 言
??隨著單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號速度的不斷提高,而信號的幅度卻不斷降低,原先設計好的、使用很穩(wěn)定的單片機系統(tǒng),現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯誤,分析原因,又找不出問題所在。另外,由于市場的需求,產(chǎn)品需要采用高速單片機來實現(xiàn),設計人員如何快速掌握高速設計呢?
硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實現(xiàn)功能。硬件設計工程師可以直接通過驗證功能是否實現(xiàn),來判定是否滿足需求。這方面的資料相當多,這里就不敘述了。硬件可靠性設計,主要表現(xiàn)在電氣、熱等關鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設計等5個部分。
1 特性阻抗
近年來,在數(shù)字信號速度日漸增快的情況下,在印制板的布線時,還應考慮電磁波和有關方波傳播的問題。這樣,原來簡單的導線,逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復雜傳輸線了。
在高頻情況下,印制板(PCB)上傳輸信號的銅導線可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導線路,如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應,會得到以下公式:
式中Z0即特性阻抗,單位為Ω。
PCB的特性阻抗Z0與PCB設計中布局和走線方式密切相關。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有:銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。
在PCB的特性阻抗設計中,微帶線結(jié)構是最受歡迎的,因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線結(jié)構有4種:表面微帶線(surface microstrip)、嵌入式微帶線(embedded microstrip)、帶狀線(stripline)、雙帶線(dual-stripline)。下面只說明表面微帶線結(jié)構,其它幾種可參考相關資料。表面微帶線模型結(jié)構如圖2所示。
Z0的計算公式如下:
對于差分信號,其特性阻抗Zdiff修正公式如下:
[1] [2] [3] [4] [5]
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