本文涉及印刷電子產(chǎn)品和PCB。我獲得了從事PCB設(shè)計的帶寬設(shè)計技術(shù)，后來將相同的原理應(yīng)用于印刷電子設(shè)計。在本文中，我將解釋我對帶寬的了解，以及如何將其應(yīng)用于PCB和印刷電子產(chǎn)品。

　　在詳細(xì)介紹帶寬之前，我認(rèn)為有必要重新審視我們在電子領(lǐng)域中“信號”一詞的含義。至少對我而言，最容易理解如下“信號”：信號是包含信息的電量。通常，所涉及的電量是“電壓”，而包含的信息是“電壓水平隨時間的變化”。我們有興趣了解特定時間的確切電壓水平。例如，數(shù)字信號信息是邏輯0和1狀態(tài)的隊(duì)列，只有在正確的時間檢測到正確的邏輯電平時，我們才能獲得正確的信息。從電子學(xué)的角度來看，信息為0或1，如果我們丟失任何脈沖，那么我們就會丟失信息。模擬信號沒有區(qū)別：在特定時間的特定電壓會生成信息。如果我們的電子設(shè)備(例如削波)導(dǎo)致模擬信號失真，那么我們將丟失信息。信號信息對于可靠的產(chǎn)品操作是必不可少的，有時可能需要以音頻或視覺反饋的形式向最終用戶提供信息。

　　當(dāng)通過從時域到頻域的傅立葉變換來計算信號時，信號可能包含幾個頻率分量。時域信號是所有包含的頻率分量的總和，信號的形狀取決于每個單獨(dú)頻率的功率電平。數(shù)字信號包含一個DC分量，然后是許多強(qiáng)度較低的AC分量，其強(qiáng)度隨頻率的增加而降低。更快的信號意味著更高的頻率分量。這些交流頻率中的每一個都是一個非常窄的頻帶，即單頻正弦波信號。因此，數(shù)字信號是直流信號加上大量正弦波信號的總和。純AC信號可以是窄帶(如正弦波)，因?yàn)樗鼈儾话珼C分量。

　　信號信息位于頻率范圍內(nèi)的某處，而該信息所需的所有頻率分量都決定了帶寬。帶寬之外的頻率是不必要的，并且可以被拒絕，例如通過過濾，因?yàn)檫@些頻率不攜帶信號的附加信息。帶寬可以被認(rèn)為是電信號的工作區(qū)域，在該區(qū)域中它不會丟失信息，并且也是信號的電路徑(即走線)或負(fù)載所必需的。然后對電子設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，并且在最佳情況下，當(dāng)信號饋入走線時，保持不變。如果信號速度高于走線或?yàn)V波器的帶寬，則會修改信號，這通常意味著某些頻率分量會被濾除。跟蹤本身將具有帶寬限制，

　　信號的帶寬由信號上升時間(10%到90%)要求決定，可以通過以下經(jīng)驗(yàn)法則表示：

　　帶寬= 0.35 / tr(1)

　　信號頻率并不像上升時間要求那么重要，僅僅是因?yàn)樾盘柌煌?。即使信號頻率完全相同，數(shù)字信號(占空比為50%)與PWM信號(占空比為10%至90%)的上升和下降時間要求也不同。在PWM信號中，當(dāng)信號“開”狀態(tài)比“關(guān)”狀態(tài)(90%)短(占空比為10%)時，這意味著與較長的“開”狀態(tài)脈沖相比，上升時間必須快得多。當(dāng)然，信號頻率也很重要，因?yàn)轭l率越高，其上升時間就需要越快。這種帶寬經(jīng)驗(yàn)法則是我用于信號帶寬相關(guān)設(shè)計任務(wù)的第一工具。我是很久以前從我大學(xué)的電子設(shè)計講師那里學(xué)到的，從那以后，我就在設(shè)計中多次使用了它。

　　圖1。信號上升時間與帶寬之間的關(guān)系(2)

　　我曾經(jīng)將模擬和數(shù)字信號的速度限制在所需的最小帶寬內(nèi)，這可以通過濾波器輕松完成。RC濾波器是最簡單的濾波器之一，它易于實(shí)現(xiàn)且易于設(shè)計。對于RC濾波器，-3dB截止頻率的計算公式為：

　　RC濾波器的截止頻率(3)

　　其中R是串聯(lián)電阻，C是電阻之后接地的電容。原理圖實(shí)現(xiàn)在下面的圖2中給出。

　　圖2. RC濾波器的原理圖實(shí)現(xiàn)

　　您必須記住，如果您選擇的RC濾波器電阻與信號驅(qū)動器的輸出電阻大約處于相同的歐姆水平，那么在計算-3dB截止頻率時也必須考慮到輸出電阻。RC濾波器的計算公式為：

　　具有輸出電阻的信號驅(qū)動器上RC濾波器的截止頻率

　　帶寬可以認(rèn)為與-3dB截止頻率相同。截止頻率表示此時的頻率已衰減至其原始功率水平的一半。也可以使用其他濾波器，例如，許多MCU都包含一個用于GPIO上升和下降時間的壓擺率限制器。此功能產(chǎn)生與過濾器相同的結(jié)果，但是可以由軟件控制，不需要其他組件。過濾信號的原因基本上有兩個：1)我想最小化該特定信號的整體噪聲水平，以及2)我想最小化由于串?dāng)_引起的耦合干擾。當(dāng)然，通過最佳的PCB疊層設(shè)計來最小化串?dāng)_是有意義的，但是濾波器為我們提供了另一個將其最小化的工具。

　　下圖顯示了示波器對3MHz數(shù)字信號脈沖的測量，帶和不帶濾波。圖3是一個“未經(jīng)濾波”的信號，其速度僅受信號驅(qū)動器輸出電阻Rs和負(fù)載電容的限制，測得的上升時間為7.8ns。我們不知道確切的負(fù)載電容，但是根據(jù)該信號驅(qū)動的組件的數(shù)據(jù)手冊，有一個反向接地的保護(hù)二極管，通常這些電容的電容約為10pF。但是，在這種情況下，準(zhǔn)確的電容值并不重要，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)法則，帶寬現(xiàn)在為0.35 / 7.8ns = 44.9MHz，我們可以對其進(jìn)行相當(dāng)多的濾波而不會丟失信號信息。增加的濾波電容將比二極管電容高得多。

　　圖3. 3MHz信號，未經(jīng)濾波

　　圖4顯示了相同的信號，但由RC濾波器濾波。我選擇了100Ω電阻器和100pF電容器，此外，我們還測量了信號驅(qū)動器的38Ω輸出電阻和?10pF IC負(fù)載電容，這些都必須考慮在內(nèi)。RC濾波器計算器顯示的截止頻率為：

　　f-3dB = 1/2π(100? + 38?)*(100pF + 10pF) = 10.484MHz

　　根據(jù)帶寬計算，該帶寬的最快上升時間為0.35 / 10.484MHz = 33.4ns。從圖4中我們可以看到，測得的上升時間為37.4ns，在這種情況下，它足夠接近計算值。通常，我并不期望計算值和測量值之間有完美的匹配，但是通常我會通過快速計算來檢查結(jié)果，以確定結(jié)果是否足夠接近應(yīng)用程序的要求。大多數(shù)情況下，我設(shè)計的過濾器不在邊緣，但是足夠有效并且有足夠的余量。

　　圖4.帶RC濾波器的3MHz信號

　　該信號是數(shù)字信號，從形狀上我們可以看到，濾波后我們沒有丟失信息。我們?nèi)匀豢梢钥煽康貙⒚}沖檢測為邏輯1，并且在下一個周期開始之前，信號仍然足夠快地進(jìn)入低態(tài)。此外，由于高頻諧波已被衰減，因此噪音少得多。通過這種方法，我成功地減少了數(shù)字總線走線與敏感傳感器走線之間的串?dāng)_，并使傳感器正常工作而無需重新布線。這是通過僅過濾產(chǎn)生干擾的信號而完全不接觸模擬信號來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閭鞲衅鲙捯蟾哂跀?shù)字總線。

　　在印刷電子產(chǎn)品中，將帶寬限制在適當(dāng)?shù)乃缴踔帘仍赑CB中更為重要。限制印刷電子設(shè)備中帶寬的主要原因是為了減少由于串?dāng)_引起的干擾。通過在阻抗和串?dāng)_方面建立最佳的堆疊，印刷電子產(chǎn)品受到的限制更大，我需要使用濾波器或壓擺率受限的信號。當(dāng)我們考慮印刷電子設(shè)備的堆疊時，我們可以看到彼此交叉的走線僅被局部薄的印刷介電層隔開。它的厚度只有幾十微米，這意味著交叉走線之間的電容耦合非常強(qiáng)。跡線之間的電容取決于交叉區(qū)域和兩者之間的介電層厚度。在印刷電子產(chǎn)品中，走線往往比在PCB中寬，S和介電層比PCB中的薄得多，這導(dǎo)致走線之間的電容也更大。更大的電容意味著更低的頻率通過該“電容”耦合。除此之外，布局區(qū)域的尺寸可能與產(chǎn)品尺寸幾乎相同，這意味著走線的長度很長，從而增加了走線的電感。與較高的電容一樣，較高的電感會影響較低的頻率。

　　由于涉及各種材料和堆疊，印刷電子產(chǎn)品帶來了低頻帶寬挑戰(zhàn)，但通過廣泛用于PCB設(shè)計的已知原理和方法可以解決這些問題。另外，對帶寬的理解在印刷電子設(shè)計中很重要，需要仔細(xì)考慮。由于材料差異，印刷電子產(chǎn)品中與信號速度相關(guān)的挑戰(zhàn)與PCB中的挑戰(zhàn)相似，但在印刷電子產(chǎn)品中，我們面臨的挑戰(zhàn)可能要少得多。就個人而言，因此，我在原理圖中寫下了關(guān)鍵信號頻率，以提醒自己它們很重要，如果我注意到潛在的問題，則會將帶寬限制在所需的最低水平。