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信号完整性基础知识手册(上)

CB板材的基础知识

实际工作中,用Polar计算阻抗,仿真设置中介电常数的选择都是默认1GHz的基准。

为什么是1GHz?还有,有没有发现Dk随频率升高而减小,Df随频率升高而增大的趋势?

先说点基础的知识。

介电常数理解为电容器在介电材料存在下的电容与空气存在下的电容比值,所以也有电容率之说。

作为一个比值,相对于空气介电常数(其值设为1)的倍数,介电常数没有单位。通常用希腊字母εr来表示,也有用缩写Dk表示材料的介电常数。

介电常数是绝缘材料的固有特性,是一种衡量材料存储电荷能力的物理量。

介电常数不是一个确定的常数,影响的因素比较多。频率,温湿度,树脂含量等条件的变化,都会影响介电常数。

损耗因子,电容器中绝缘介质层的总功率损耗与电容器中施加的电压、电流乘积的比值。

需要做个区分的是:

体电阻率与材料中离子密度和迁移率有关。

损耗因子关联的是偶极子数目和偶极子在电场中旋转幅度的大小。

有时候会分不清离子和偶极子。

离子是带正电荷或负电荷的原子或原子团,电子是带负电荷的微粒。离子有三大移动方式:扩散,迁移,对流。

偶极子是距离很近的符号相反的一对电荷或磁荷。

离子偶极作用即离子与一个极性物质之间的作用(正-负)。

很多时候,损耗因子表示为tanδ,这个角度不重要,重要的是代表材料的两个特性。

一个是介电常数,电场中偶极子如何重新排序改变的电容量。

另一个是损耗因子,偶极子如何运动,电流和施加的正弦电压同向。

为什么是1GHz?

FR4 的介电常数的具体值与环氧树脂和玻璃布的相对含量有关。介电常数随频率而变化,例如从1KHz到10MHz ,FR4 的介电常数变化较大,然而从1 GHz 到 10 GHz,FR4的介电常数就比较稳定,这也就是我们日常阻抗计算,仿真设置等里面的标准选择1GHz频点下的Dk和Df值。当然为了消除不确定因素,有必要指明测量介电常数时的频率……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5384.html


高速信号为啥要走表层?

写这篇文章的初衷是缘于和做一位多年做SSD产品的人技术交流,对SSD产品PCIe信号走表层这一情况,很是疑惑

这种疑惑是缘于我之前产品经验,不管是消费类产品,还是高速产品,在这些产品领域,走线初期规划,都是默认选择:高速信号走内层

这里面有损耗问题,还有表层阻抗问题,还有绿油的问题,这些不稳定因素,是选择高速信号走内层的原因。

这个多年做存储产品的人,给的回答竟然是:三星很多大厂都是这样做的,我们照着做的。一时间无言以对。

那就自己想办法找找原因。

下图为SSD内部的一个组成框架,三个组件:NAND闪存,控制器及固件。本文不过多地讲解这类产品的工作原理,关注的是主控和接口的连接及版图走线问题。

图片来源网络,侵删

下图为常见存储产品表贴情况,也会发现主控和接口的走线连接在表层,这里面看到不仅仅是TX部分因为耦合电容问题,走线走表层,其实接收端RX也在表层。

图片来源网络,侵删

在正常的情况下,Low-loss级别的板材,PCIe Gen4 走线,在表层走线的损耗大于内层的,量化指标值为0.2dB/in,这个值只是用于探讨本文的问题,具体的差值需要PCB实测数值来比较,而且每家板厂的工艺和能力是不同的。

现在的问题就是,走表层和内层的差别是什么?见下图链路结构情况,最直接的差别就是多了两个过孔:

根据相关过孔指标,过孔0.7dB的标准,如果通过残桩、反焊盘等优化处理,这个数值还可以更小一点,两个过孔取值为1 dB。

量化为过孔指标,那么两种走线模式的差别就变成了走线长度的问题,即表层走线(MicroStrip)和内层走线(StripLine)长度差问题……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5315.html


趋肤效应与铜箔粗糙度

讲趋肤效应,就会想到铜箔粗糙度,就会想到导体损耗。

什么是趋肤效应?交变电流通过导线时,电流在导线横截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大于中心的密度,且交变电流的频率越高,这种趋势越明显,该现象称为趋肤效应(Skin effect)

“趋肤效应”用于描述电流在导体内的分布方式随频率及材料特性的变化。无论是单纯线缆、同轴电缆、微带还是天线导体,所有导体中均存在这一现象。

趋肤效应实质是电磁感应--涡流,导体流入交流电在电流传输的垂直平面形成交变磁场,交变磁场产生感应电动势,感性电动势在导体内部形成涡流电流,这个涡流电流总是阻碍着通入交流电流的变化,你可以形象地理解为涡流这种力量把导体内部的电流挤到了导体表面。

涡流与趋肤效应

由于趋肤效应的影响,导线的等效电阻增大,进而使其损耗增大,我们需要尽可能增加传输导体的表面积,在相同横截面的情况下,利用相互绝缘的多芯导线代替单根实心导线,或者使用空心导线传输交流电。

既然趋肤效应存在于导体表面,那么在导体表面镀金、镀银,减小传输的表面电阻从而改善交流等效电阻

对于在表面附近传播的电流而言,一个极其粗糙和不平整的表面相当于增加了其传播路径的长度,因此此类表面将导致更大的电阻性损耗……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5265.html


玻纤效应

我们用的电子产品里的PCB板,使用的半固化片(pp)以及固化片(core)等材料压合而成,这里面其实有两部分材质:玻璃纤维和树脂。玻璃纤维由经纬方向编织而成,中间会有空隙,树脂会对其填充,信号在玻璃纤维和树脂中传播速度不同,这就是玻纤效应。

玻纤效应带来的影响:P/N信号传播中会有时间差,从源端到终端会有误差,这也是我们常说的P-N skew。

为什么会产生玻纤效应?

由于玻纤布和树脂的相对介电常数相差较大(玻纤布一般在6左右,树脂是2.5),在靠近玻纤的走线上信号感受到的介电常数较大,而在玻纤之间窗口区域走线的信号感受到的介电常数较小,从而导致了玻纤效应。

因为产品和速率要求的不同,我们会选用不同的板材,而不同的板材有不同的编织密度,如下图所示,玻纤窗口越小,板材介电常数越均匀。

玻纤效应有什么影响?

玻纤效应对高速信号产生的影响主要体现在传输线阻抗波动和差分Skew两个方面。

由于玻纤布之间间隙的存在以及经纬向玻纤之间的叠合,会导致板面不同位置处阻抗产生差异。同一条阻抗线,由于不同位置处介质层的有限介电常数不一致,TDR曲线会出现波动,从而影响高速信号的传输质量,影响信号的完整性。

玻纤效应会导致差分线PN间的传播速度不一致,造成Skew。速率越高,信号周期越短,Skew的影响也就越大。

下图为相关规范文档给出关于玻纤效应的影响:

将其量化一下:玻纤效应引起的模态转换及带来严重的Skew,其影响通常在4ps/in,在极端的情况可能达到16ps/in

4ps~16ps/inch这个Skew大不大?换算成走线长度就有点直观印象了,约为24mil~96mil/inch。对比下高速信号PN间等长5mil甚至2mil的要求,这个影响实在是太大了……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5215.html


差分线的基础知识

整个基础知识体系中,差分线(对)是很难搞的部分,却是最常用的部分。说到差分线基础知识,里面的概念很多,记得刚接触的时候,奇模&共模有时候会搞不清楚。话不多说,直接上图:

01.概念

差分线,从理论上说,可以是任意两根传输线。

最初的时候,曾有疑惑:距离很远的两根传输线呢?实际工作中,很多高速线都是差分线,更多的是利用其抗干扰的能力。既然讲到抗干扰,那是不是尽量保证两根线的周围环境一致。

所以,差分线的定义:两条存在耦合且平行等长的两根传输线,用来传输相位差180度的信号。

02.差分阻抗

差分线本身没有什么特别,决定它们特性的是这两条传输线上的信号传输方式。差分线除了传输差分信号,还有共模信号,前一种是大小相等方向相反的驱动电压,后一种是相等方向相同的驱动电压。

为了方便理解,针对差分阻抗的特性,搭建相关链路:

  • Vdiff = V1–V2 Vdiff 表示差分线号
  • Vcomm= (V1+V2) Vcomm表示共模信号
  • V1表示线1相对于其返回路径的信号电压
  • V2表示线2相对于其返回路径的信号电压

从仿真结果看出:相同电平的幅值,差分线的峰峰值是单端线的两倍。单端线的基准是地平面,外界的干扰差异会很大;而差分线的基准是彼此,对共模干扰有很好的抑制。

差分线最重要的电特性就是对差分信号的阻抗,称为差分阻抗。

以Z=V/I来推算:

  • Z0单端信号线的特性阻抗
  • 差分阻抗还可以看成两条单端信号线等效阻抗的串联:
  • Zdiff = Z0 +Z0 = 2 x Z0
  • Zdiff 表示两条信号线之间的等效阻抗(即差分阻抗)
  • Z0 表示每条信号线与返回路径之间的阻抗

上面计算方法可以得出差分阻抗,由差分阻抗引出两种模态:

奇模阻抗

奇模阻抗与差分阻抗有直接的关系。差分阻抗是差分信号受到的阻抗,奇模阻抗是传输线处于奇模状态时每条信号线的阻抗……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5131.html


电热相关知识

做电热仿真,有一页设置,上面其实给出了关于热量的参数:传递,导热系数等。

以此,来讲讲关于热的基础知识。

01传导方式

热量传递三种基本方式:热传导(Heat conduction),热对流(Heat convection),热辐射(Thermal radiation)。

02导热系数

导热系数反映的是物质的导热能力,可以理解为物质的固有能力,因为这种能力是由物质的原子或分子结构本身决定的。

产品中所用的PCB板,是FR4与铜组成的复合结构。FR4环氧树脂导热系数0.2~0.8 W/(m·K),铜的导热系数约为400 W/(m·K),PCB板导热系数经验值,平面方向(x-y)的导热系数约为10~45 W/(m·K),垂直方向(z)的导热系数约0.3 W/(m·K)。

铝的导热系数约为237 W/(m·K),导热系数比铜差了好多。那为什么大多数散热器是用铝做的?

原因如下:

1.铝的比热容比铜大,散热的速度快;

2.铝的密度比铜小,做出的成品自然比铜做的轻;

3.铝的价格比铜便宜。

03热阻(Thermal Resistance)

简单来说,热敏的定义:当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。

这里的理解可以和电学联系在一起,即热流相当于电流,温度差相当于电压,热阻相当于电阻。

热阻也可以理解为,热量传导过程中遇到的阻力。

由定义可知:

一个物体的不同点,如果热源相同,有温度差的话,热阻是不同的。

热阻不同的情况,说明热流在传输路径上遇到的阻力不同,也就是周边介质或介质间传热能力不同。

两物体接触,影响的因素:物体的几何形状,物体接触面积,有无缝隙,以及在缝隙中是否有填充物体,这些都会影响热阻。

减小接触热阻的措施有:增大接触面积&缝隙中填充导热硅脂……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5096.html


示波器基础知识

讲示波器,总会不由地想起三星测试的时光。产品机种的第一版回板,接下来的时间都是在实验室,赶产品的周期,那段时间不间断地验证和测试。现在好久不测了,手都生了,突然有点怀念那些家伙了……打住!言归正传,直接上思维导图:

01.作用

讲示波器,第一时间的想问的是:示波器有什么用?有人肯定不假思索地回答:测波形。这个回答没问题,只是太笼统。信号分低速高速,示波器测试不同的信号,标准也不同,三个方向来说:

普通信号,这个时候对示波器的要求不高,只是用于测试与调试,很多认识的网友手头都有。但也不是一点要求也没有,这时候需要关注波形捕获。

高速信号,示波器的要求就高了,那就不是个人玩得起的。这个时候需要对信号进行标准一致性测试,示波器就得关注带宽、底噪等相关性能指标了。

光通信,这里面包含雷达、光模块等,更关注示波器精度与触发带宽等指标。这块笔者没有从事过,希望有机会深入了解。

02.性能

性能部分选择四个指标来说明:带宽、采样率、存储深度、死区时间、底噪。

带宽

常规定义:按3 dB衰减输入信号的最低频率被视为示波器的带宽。它决定了这台示波器测量高频信号的能力。举个例子,一个1GHz带宽的示波器,如何验证它是否标准?输入一个标准的50MHz、1V峰峰值的正弦波信号,在示波器上测得信号幅度为 A,保持输入信号幅度不变,提高输入信号的频率,逐渐增加到1GHz,这时测得示波器信号幅度为 B。20lg(B/A)所得出的结果与-3 dB的标准相比。

再强调一下,这里的-3dB是按信号功率计算,相当于信号的功率降到一半。示波器测量的是电压信号,功率降到原来的一半,根据相互关系,相当于示波器测得的电压值下降到原来的 0. 707 倍……

原文链接:https://www.dianyuan.com/eestar/article-5074.html


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六篇技术文章,让你秒懂电容的脾气秉性

七篇DIY技术文章献给你,让你脑洞全开

五篇文章帮你开启DSP的学习思路

汇总篇:关于PID知识,重点在此

IY&分享—GravityShare


USB插口是日常使用频率较高的电器接口之一,很多时候只是用来供电,除非是在数据传输的时候才会用到USB HUB作为接口拓展,HUB是大家常说的集线器,比如电脑、笔记本的USB接口不够用的情况下会选择USB HUB进行拓展。那么日常需要用到多个USB的设备仅需要供电但是接口不够用的情况下,可以自己做一个简易的USB取电分线器,那么就可以一个接口输出多个电源了,当然了是要在供电USB功率足够的情况下才能保障各个设备的正常使用。


那么如何自己做一个USB取电分线器呢?

P01 USB取电分线器

参考下面你也可以做一个USB取电分线器:

http://v.youku.com/v_show/id_XMzYzNTc4NTAxMg==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0

图文部分↓

一、制作准备

1、效果图

先来看看这次做的USB取电分线器的成品,1分4的效果,主要是由1个USB公座和4个USB母座组成。USB公座作为电源的输入,4个USB母座并联作为输出端实现1分4的功能:

P02 成品效果图

2、材料准备

1、USB公座1个

2、USB母座4个

3、塑料外壳1个

4、LED、电阻各1个

5、万用板(洞洞板)

6、线材工具等等

P03 材料准备

二、设计原理

1、原理

这次的作品电路原理很简单,主要是使用USB母座的并联输出。红色LED作为电源指示灯。

P04 原理图示

USB四个端口引脚的定义分别是VCC、-D、+D、GND。

P05 USB引脚定义

三、DIY过程分享

准备好4个USB母座,根据其引脚的定义布局焊接连线,主要使用到的是VCC和GND两个引脚,另外两根数据线悬空:

P06 USB母座

电路板使用万用板直接焊接:

P07 万用板

红色LED作为电源指示灯、同时还需需要准备一个限流电阻:

P08 LED

将四个SUB母座,1个USB公座按照原理图示焊接,同时焊接好LED:

P09 元件焊接

焊接完成的效果:

P10 焊接完成

万用板背面连线:

P11 背面

根据电路板USB座子的对应位置对盒子进行切割打磨:

P12 塑料盒开槽

正面效果:

P13 正面

合上底盖子效果:

P14 合盖

电路板和盒子的位置对比:

P15 对比

盖子和螺丝准备:

P16 准备螺丝

安装电路板到盒子:

P17 安装

P18 继续安装

锁上螺丝:

P19 安装完毕

至此,上电测试通过,DIY安装完成。

四、成品欣赏

P20 侧面

P21 正面

P22 底部

P23 接通电源

P24 指示灯点亮

P25 侧面

P26 侧面

贴上标签:

P27 标签

P28 合影

五、结束语

这次的DIY原理很简单,最后的效果也比较理想, 对于多USB供电需求的场合使用还是很方便的。

END

气图的基本构成:

电气图图纸幅面的一般规定:0、1、2、3、4号图纸。


图形用线规定:粗实线、中实线、 细实线、波浪线、双折线、虚线、细点划线、粗点划线、双点划线。


电气符号:

项目代号的应用:


项目代号:高层代号(= )、位置代号(+)、种类代号(—)、端子代号(:)。

回路标号:表示各电气回路的种类和特征的方案符号和数字标号。

1、回路标号的一般原则;

2、回路标号的分类。

直流回路的标号:正极回路按奇数顺序(1、3、5、7…)标;负极回路按偶数回路(2、4、6、8…)标。

交流回路的标号:交流一次回路中用个位数顺序区分回路的相数;

用十位数字的顺序区分回路中的不同线段。

第一相:1、11、12;第二相:2、21、22:第三相:3、31、32…

电力拖动、自动控制电路的标号:

一次回路:用文字符号与数字标号组成(如三相交流电源;L1、L2、L3)

单根导线的表示:


多根导线数的表示方法:



导线表示与说明:


特定标记:


电气设备端子特定标记:


相位标记:


元件的基本表示法:


电气图分类:

功能性信息,位置信息,接线信息,项目信息。

表示功能性信息的电气图:


表示位置信息的电气图:安装简图


布置图:电机控制与电力运行应用技能实训室示意图(参考)


表示接线信息的电气图:端子接线图


设备互连接线图:




自耦变压器降压起动线路:


表示项目信息的电气图表:

表1-2 工具配备表(每组配备)


设备配置表:


M7120平面磨床电气控制线路:


供电系统电气图识读:




电力系统组成:



工厂企业二次降压供电方式:


工厂企业一次降压供电方式:


电力系统中性点接地方式:

1.中性点不接地三相系统:


各相对地电压与对地电容对称;各相对地电容电流大小相等,相位差120度,其相量为零,所以地中无电容电流,中性点电位为零,为地电位。适用于6-10千伏与低压三相三线制电网。

2.中性点经消弧线圈接地三相系统:


可减少单相接地电流,造成故障点自行灭弧条件;是消除电网因雷击或其它原因而发生瞬时单相接地故障的有效措施。适用于35-60千伏的高压电网。

3.中性点直接接地的三相系统:


单相接地时,短路电流很大,使继电保护装置动作或使熔断器熔丝熔断,达到切除故障,保护电路目的。此系统多使用在110千伏和部份35千伏的电网和380/220V的低压电网上。




工厂企业高压配电网络:

放射式网络,树干式网络,环状式网络。






工厂企业树干式高压配电网络:直接连接树干式网络,

链串型树干式网络。

直接连接树干式网络:




建筑电气识读:

建筑电气平面图:表示电气装置、设备、线路在建筑物中的安装位置、连接方法及其安装方法。它是建筑电气安装的依据。

建筑平面图图纸分类:

供电总平面图,自动控制图,高、低压供电总系统图,电信设备安装平面图,变、配电所平面图,建筑物防雷接地平面图,动力平面及系统图,设备材料表格,照明平面及系统图。https://www.diangon.com/m6991.html

特点:

1、电气图与建筑图相结合。电气图用粗实线,并详细标出文字符号及型号规格。建筑图用细实线,只画出与电气安装有关的轮廓线,并只注出与电气安装相关的尺寸。

2、图中不必考虑电气装置实物的形状及大小,只考虑其安装位置。

3、只表示设备间的相互连接,并不具体注明端子间的连接。

4、电气连接线只用单线和连续线表示。

表示方法:

1、图符;2、图线;3、尺寸标志;4、比例;5、图名 6、安装标高;7、方位;8、风向频率标记;9、建筑物定位轴线;10、设备与线路标注方法;11、图上位置、图线、建筑物的表示方法。


a:设备编号;

b:设备额定容量;

c:线路熔体或低压断路器脱扣电流(A);

d:标高。

柴油机厂供电总平面图:


工厂10KV变电所平面布置图:


工厂10KV变电所剖面布置图:


外线工程平面图示:


10KV地下电缆敷设平面图:


建筑动力和照明工程图:

含原理图、平面图,以平面图为主。表示建筑物内动力、照明设备与线路平面布置的电气工程图纸。含:动力与照明线路、设备、的安装位置和接线。

线路图符:



配电设备图符:


灯具图符:


插座图符:


开关图符:


仪表图符:


文字符号:如果要指出灯的类型,则要在符号旁边标出下列字母:

氖:Ne、氙:Xe、钠:Na、汞:Hg、碘:I;

白炽:IN、弧光:ARC、荧光:FL;

红外线:IR、紫外线:UV、发光二极管:LED。



灯具安装方式:


线路敷设方式和敷设部位的文字符号:






例:BV(2×2.5)PVC15—WC

2根(1条相线、1条零线)截面积为2.5毫米平方的塑料绝缘铜芯导线,穿直径15毫米的PVC管(阻燃塑料管),暗敷在墙内。


供电系统和电源配电箱:

(1)电源进线:电源引自第五层、垂直引入,线路标号为“PG”(配电干线),导线型号BV(铜芯塑料绝缘导线),2根,截面积为10平方毫米。穿入电线管(PVC),管径25mm,沿墙暗敷(WC)。

(2)电源配电箱:该层设一个照明配电箱,其型号为XM1—6。配电箱内安装一带漏电保护的单相空气断路器,型号为DZ47LE(额定电流30A)。三个单相断路器(DZ47—10、额定电流10A)分别控制三路出线。



照明线路:

(1)导线种类及配线方式:

总干线:BV—2X10—PVC25—WC;

分干线(1—3)BV—2X6—PVC20—WC;

BV:塑料绝缘铜芯导线;2X6:2根、截面积6平方毫米;PVC20 :采用PVC管;WC :沿墙暗敷。

各分支线:BV—2X2.5—PVC15—WC。



民宅建筑电气线路安装图识读:


底层组合平面图:


BA型标准层照明平面图:


标注在同一张图纸上的管线,凡是照明及其开关的管线均是由照明箱引出后下翻至该层顶板上敷设安装,并由顶板再引下至开关上。而插座的管线均是由照明箱引出后下翻至该层地板上敷设安装,并由地板上翻引至插座上,只有从照明回路引出的插座才从顶板上引下至插座处。

1#、2#、3#、4#处有两个用途,一是安装本身的灯具,二是将电源分散出去,起到分线盒的作用。这在照明电路中是最常用的。

从灯具标注看,同一张图纸上同类的灯具的标注可以只标一处,这是识读时要注意的。


屋顶防雷平面图:


企业综合楼电气安装线路图识读:

配电室低压配电系统图:


水泵房配电系统图:


空调机房配电系统图:


空调机房配电系统图:


1—7层动力配电系统图: