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Note20140127

无线通讯技术的极限

目前wifi使用的是2.4GHz的通讯频率,波长可以简单的算出为3e11mm / 2.4e9 = 125mm 大概一分米多一点,所以wifi的信号穿墙是衰减很大的。2.4GHz理论的极限的通讯速度是2.4G / 8 = 300MB/s, 但是无线信号被干扰的很厉害,需要加大量的检错码,一般实际的极限只有1/6的速度,就是50MB/s = 400Mb/s。大家购买的路由器300Mb/s就很快了。同时,速度和距离也有很大关系,距离越远由于干扰和信号衰减,速度会以非常快的速度下降。

未来的无限技术

我认为可以使用多频技术并且提高信号频率

多频的意思就是2.41G, 2.42G, 2.43G …同时工作 -> 每多一路,功率加一,处理的芯片加一。

提高信号频率就是用5G, 6G等更高频来传输数据 -> 但是频率越高功率越大,且越容易被遮挡。

而我的期待是可以通过无线传输两路HDMI,这样的速度大概是30GHz,通过占用10个3G通道应该可以实现,但是这样的设备小型化就比较难了,功耗也很难控制,相当等于12个2.4G的wifi芯片同时工作。理论上是可以实现的,我的无线路由做完后着手做一个这样模型,希望可以实现HDMI数据的传输。 一般wifi发射功率是100mW,距离也就是在80平米的房间里勉强覆盖,如果家里都是混凝土浇筑的估计信号衰减的会很厉害。 现在的电力线传输技术倒是可以解决一部分,但是电力线只有一根,像这样的超高频不使用差分信号且电力线都很长,就是一根接干扰的天线,现在的HiFi基本速度就极限了。 而这样的速度还是无法实现4K的传输的,那需要4个HDMI的速度。

过孔大小和走线长度在高频下对信号的影响

在低频下,那就不用说了,只要不长到绕地球一周,几乎没有影响。高频则不同。走线和过孔都存在等效的电容和电感。电感会阻碍高频信号,所以对高频信号来说,导线的电阻也许微不足道,但产生的阻抗却是无法忽略的。

假如1ohm是阻抗的分界线,那么根据电感阻抗计算公式

X = 2 * PI * F * L

假设F=166MHz,标准的SDRAM的工作频率,这样可以算出1ohm的阻抗恰好是1nH

若F=2.4GHz,那么1ohm的阻抗是66pH

网上找的经验公式L=5.08h[ln(4h/d)+1],一个4层1.6mm的板子上打10mil的过孔,那么L=1.35nH, 这样10mil的过孔就是1.4ohm的等效电阻。在2.4G的高频下,电阻相当于21ohm

计算过孔的寄生电容

C=1.41εTD1/(D2-D1)

这样我的过孔是10mil孔焊盘16mil,厚度T是1.6mm

C=1.41 * 4.4 * 64 * 10 / 6 = 0.66pF

这个在2.4GHz频率下等效电阻为X=1 / (2 * PI * f * C)=0.01,很小,可以忽略

在166MHz下等效电阻为0.15,也不大,过孔的寄生电容对高频影响并不大,只是在信号上下沿会导致延时,因为信号保持时过孔电压一样,就不存在电容了。

根据电容引起的上升时间变化通过公式计算大概在30ps左右,2.4GHz上升时间为416ps / 10 = 41.6ps,这个电容还是有一定影响的,所以高频到2.4GHz,导线必须尽量等长,这样大家都一样延时这么多时间就和谐了。

再算一下导线的寄生电容,

C=εS/4πkd=εLw/4πkd

走线厚度,w一般是1oz 35um。L走线长度假设1000mil=0.0254mm*1000=26mm=0.026m, ε基板介电常数,常用的是FR-4,大概4.4, d是间距,5mil布线间距=0.13mm=0.00013m,k是静电力常数9e9Nm^2/C^2,都换算成标准单位带进去算一下

C=4.4*0.026*35e-6/4/3.14/9e9/0.00013=2.72e-13F=0.27pF

这样对应的阻抗就是

X = 1 / (2 * PI * f * C)

在166MHz的高频下,等于这两根导线间接了一个X= 3.5k ohm的电阻.在2.4G的高频下等于接了一个240ohm的电阻。

继续计算导线的寄生电感

L = 0.01 * D * N * N / (L / D + 0.44) 网上的无敌经验公式

L单位是mH,D线圈直径cm,N线圈数,我们的是导线,此为1,L线圈长度,单位cm。

这样1000mil的导线假设围成1圈,电感为

L = 0.01 * 0.9cm / (2 * 3.14 + 0.44) = 1.3nH

假设我们的PCB板打了两个个过孔,在166MHz下相当于增加了3ohm的电阻,导线长度1000mil(25.4mm)相当于3000ohm,那么很容易算出我们有1/1000的分压,就是说3.3V的电压会感应出3.3mV,貌似不是很多,若旁边有10条平行线的话,大概是0.01V~0.02V的感应电压,这样的噪声在1%以内,理论上可以接受。

但是2.4GHz下情况就不同了,我们等于线之间只有240ohm阻抗而过孔电感和导线的电感产生的阻抗却有40~60ohm,3.3V产生的分压达到了1/5,如果边上还有高频导线干扰甚至可以达到1/2,如果考虑到环境电磁噪声,这样的线路板必然无法正常工作。

VoCore v0.1 BOM

[Capacitance]
|1   |17  | C9,C16,C43,C92,C98,C104,  | 0402, 0.1uF, 10V, X5R, +/-10%
|    |    | C108,C113,C114,C387,C388, |
|    |    | C389,C390,C391,C414,C422, |
|    |    | C110                      |
|2   |4   | C48,C50,C77,C79           | 0402, 1.2nF, 50V, X7R, +/-10%
|3   |3   | C36,C40,C409              | 0402, 1.2pF, 50V, NPO, +/-20%
|4   |1   | C105                      | 0402, 1.5nF, 50V, X7R, +/-10%
|5   |2   | C7,C10                    | 0402, 100pF, 50V, NPO, +/-5%
|6   |1   | C4                        | 0402, 10nF, 16V, X7R, +/-10%
|7   |4   | C6,C17,C278,C443          | 0402, 10pF, 50V, NPO, +/-5%
|8   |3   | C8,C14,C111               | 0402, 1uF, 6.3V, X5R, +/-10%
|9   |2   | C35,C38                   | 0402, 2.7pF, 50V, NPO, +/-10%
|10  |1   | C18                       | 0402, 22nF, 25V, X7R, +/-10%
|11  |1   | C15                       | 0402, 27pF, 50V, NPO, +/-5%
|12  |7   | C2,C42,C84,C93,C109,C112, | 0402, 4.7uF, 6.3V, X5R, +/-20%
|    |    | C251                      |
|13  |1   | C161                      | 0402, 470pF, 50V, NPO, +/-5%
|14  |2   | C105,C106                 | 0603, 22uF, 10V, X7R, +/-20%
[Inductance]
|1   |1   | L11                       | 0402, 2.2nH, +/-10%
|2   |1   | L12                       | 0402, 2.7nH, +/-10%
|3   |1   | L444                      | 0402, 3.3nH, +/-10%
|4   |1   | L14                       | 0805, 4.7uH, +/-20%, 1100mA
[Resistance]
|1   |1   | R1                        | 0402, 12k, +/-1%
|3   |1   | SR1                       | 0402, 22, +/-1%
|5   |1   | R212                      | 0402, 300, +/-5%
|4   |1   | R67                       | 0402, 330k, +/-1%
|7   |1   | R68                       | 0402, 680k, +/-1%
|6   |15  | R71,R94,R95,R107,R118,    | 0402, 4.7k, +/-5%
|    |    | R119,R142,R144,R150,R154, |
|    |    | R192,R293,R308,R318,SR2   |
|8   |8   | R26,R27,R28,R29,R55,R56,  | 0402, 49.9, +/-1%
|    |    | R57,R58                   | 
|9   |1   | R300                      | 0402, 51, +/-5%
|10  |1   | R8                        | 0402, 8.2k, +/-1%
|11  |1   | R50                       | 0402, 9.1k, +/-1%
[Chip]
|1   |1   | MT3410L                   | SOT23-5
|2   |1   | RT5350F                   | TFBGA-196B
|3   |1   | EM63A165TS                | TSOP-54
|4   |1   | W25Q64FV                  | SOIC 208mil
[Other]
|1   |1   | CRYSTAL 20MHz             | 3225
|2   |1   | U.FL IPEX/IPX, SMT        | 3225

过孔和过线的宽度和电流关系

铜厚度1oz,线宽单位mil。

上升10摄氏度
6mil 0.2A
8mil 0.55A
12mil 0.8A
16mil 1.1A

设计时需要小于该值的一半考虑。
过孔的对应的导线宽度为焊盘边缘宽度,即10mil的孔,16mil的焊盘外径则对应6mil的导线。

RT5350F全开时电流为280mA,约为3.3V * 0.28A = 0.924W
其中天线发射功率为100mW,大概40mA的电流,用6mil的导线就够了。
接地过孔必须可以承受约0.5A的电流,所以16mil的过孔至少要6个,越多越好。

谐振频率和抑制噪声

最近在看各种路由器的电路图,发现很多地方都用到了LC降噪电路,大学学的基本还给老师了,今天又重新推一下。
电容阻抗 XC = 1 / (2 * PI * f * C)
电感阻抗 XL = 2 * PI * f * L
谐振频率就是XL == XC时的f, f = 1 / (2 * PI * (L * C) ^ 0.5)
这个f有什么意义呢,高等数学的那一套我也忘的差不多了,举个简单的例子
考虑以下电路
untitled

假设谐振频率是f0, 此时XC=1ohm, XL=1ohm, 负载R=1ohm, L左端为3V输入噪声
那么在L上的电压很容易算出是2V, R上电流是1A, N节点电压1V
现在频率翻倍f1 = f0 * 2, 根据阻抗容抗公式可以算出XL=2ohm, XC=0.5ohm
这样L上的电压是2.25V, R上电流是0.75A
如果f2 = f0 / 2, 那么此时XL=0.5ohm, XC=2ohm, L上电压为1.8V R上电流为1.2A

由此可见,谐振频率是一个中间点,越比它高频的噪音在这个电路里衰减的就越厉害,也就是到达R的电流和电压越小。反之,越比它低频的,在电路里衰减的越少,到达R的电流和电压就越大。
所以一般LC电路可以消除高频噪音,比其谐振频率越高的噪音消除的越好。

[转] 0欧电阻+磁珠

0欧姆电阻作用
1,在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。
2,可以做跳线用,如果某段线路不用,直接不贴该电阻即可(不影响外观)
3,在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代替。
4,想测某部分电路的耗电流的时候,可以去掉0ohm电阻,接上电流表,这样方便测耗电流。
5,在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻
6,在高频信号下,充当电感或电容。(与外部电路特性有关)电感用,主要是解决EMC问题。如地与地,电源和IC Pin间
7,单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统。)
8,熔丝作用

磁珠
电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。 他比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。
作为电源滤波,可以使用电感。磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了

*模拟地和数字地单点接地*
  只要是地,最终都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是”浮地”,存在压差,容易积累电荷,造成静电。地是参考0电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷,始终维持稳定,是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地,但发电厂是接大地的,板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,理由如上有四种方法解决此问题:1、用磁珠连接;2、用电容连接;3、用电感连接;4、用0欧姆电阻连接。
  磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。
  电容隔直通交,造成浮地。
  电感体积大,杂散参数多,不稳定。

  0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。

0欧电阻
  *跨接时用于电流回路*
  当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。
  *配置电路*
  一般,产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。
  空置跳线在高频时相当于天线,用贴片电阻效果好。
  *其他用途* 布线时跨线
  调试/测试用
  临时取代其他贴片器件
  作为温度补偿器件
更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要挖孔)。

我的理解就是0ohm电阻完全可以不用管它。
补充一点,0ohm的电阻还可以标示电路最大电流,比如放一个1206的0ohm电阻一般都是电源线,至少要通2A电流,设计PCB时要用宽线。
磁珠是用来高频滤波,和电感类似但是磁珠可以允许更高的频率。