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元器件正朝著高速低耗小體積高抗干擾性的方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢(shì)對(duì)印刷電路板的設(shè)計(jì)提出了很多新要求。PCB設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要階段，當(dāng)電原理圖已經(jīng)設(shè)計(jì)好后，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，按照功能劃分確定采用幾塊功能板，并確定每塊功能板PCB外型尺寸、安裝方式，還必須同時(shí)考慮調(diào)試、維修的方便性，以及屏蔽、散熱、EMI性能等因素。需要工程人員確定布局布線方案，確定關(guān)鍵電路和信號(hào)線和布線方法細(xì)節(jié)，以及應(yīng)該遵從的布線原則。PCB設(shè)計(jì)過(guò)程的幾個(gè)階段都必須進(jìn)行檢查、分析和修改。整個(gè)布線完成后，再經(jīng)過(guò)全面規(guī)則檢查，才能拿去加工。 一、引言 長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)人員往往將精力花在對(duì)程序、電原理、參數(shù)冗余等方面的核查上，卻極少將精力花在對(duì)PCB設(shè)計(jì)的審核方面，而往往正是由于PCB設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致大量的產(chǎn)品性能問(wèn)題。PCB設(shè)計(jì)原則涉及到許多方方面面，包括各項(xiàng)基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護(hù)，等等。對(duì)于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級(jí)高頻電路）方面，相關(guān)理念的缺乏，往往導(dǎo)致整個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的失敗。許多人還停留在“將電原理用導(dǎo)體連接起來(lái)發(fā)揮預(yù)定作用”基礎(chǔ)上，甚至認(rèn)為“PCB設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)、工藝和提高生產(chǎn)效率等方面的考慮范疇”。許多工程師也沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到該環(huán)節(jié)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的特別重點(diǎn)，而錯(cuò)誤地將精力花費(fèi)在選擇高性能的元器件，結(jié)果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。 二、高速PCB設(shè)計(jì) 在產(chǎn)品工程中，PCB的設(shè)計(jì)占據(jù)非常重要的位置，尤其在高頻電設(shè)計(jì)中。有一些普遍的規(guī)則，這些規(guī)則將作為普遍指導(dǎo)方針來(lái)對(duì)待。將高頻電路之PCB的設(shè)計(jì)原則與技巧應(yīng)用于設(shè)計(jì)之中，則可以大幅提高設(shè)計(jì)成功率。 （一）高速電路PCB的布線設(shè)計(jì)原則 1．使邏輯扇出最小化，最好只帶一個(gè)負(fù)載。 2．在高速信號(hào)線的輸出與接收端之間盡可能避免使用通孔，避免引腳圖形的十字交叉。尤其是時(shí)鐘信號(hào)線，需要特別注意。 3．上下相鄰兩層信號(hào)線應(yīng)該互相垂直，避免拐直角彎。 4．并聯(lián)端接負(fù)載電阻應(yīng)盡可能靠近接收端。 5．為保證最小反射，所有的開路線（或沒(méi)有端接匹配的線）長(zhǎng)度必須滿足下式： Lopen——開路線長(zhǎng)度(inches) trise——信號(hào)上升時(shí)間（ns） tpd——線的傳播延遲（0.188ns/in——按帶線特性）。 幾種高速邏輯電路上升時(shí)間典型值： 6．當(dāng)開路線長(zhǎng)度超過(guò)上式要求的值時(shí),應(yīng)使用串聯(lián)阻尼電阻器，串聯(lián)端接電阻應(yīng)該盡可能地接到輸出端的引腳上。 7．保證模擬電路和數(shù)字電路分開，AGND和DGND必須通過(guò)一個(gè)電感或磁珠連接在一起，并盡可能在接近A/D轉(zhuǎn)換器的位置。 8．保證電源的充分去耦。 9．最好使用表面安裝電阻和電容。 （二）旁路和去耦 1．選擇去耦電容之前，先計(jì)算濾除高頻電流所需的諧振頻率要求。 2．大于自諧頻率，電容器將變成電感性，從而失去去耦電容作用。應(yīng)該注意，有些邏輯電路具有比常用去耦電容自身諧振頻率更高的頻譜能量。 3．容器器自身具有的諧振頻率，稱之為自諧頻率。如果希望濾除的高頻 4．要根據(jù)電路所含的RF能量、開關(guān)電路的上升時(shí)間，以及特別關(guān)注的頻率范圍計(jì)算所需的電容值，不要用猜測(cè)或是根據(jù)以前的一貫用法使用。 5．計(jì)算地和電源平面的諧振頻率。以此二平面構(gòu)筑的去耦電容能夠取得最大效益。 6．對(duì)高速元件及蘊(yùn)涵豐富RF帶寬能量的區(qū)域，應(yīng)該使用多種電容并聯(lián)，以去除大頻寬的RF能量。也要注意：當(dāng)在高頻，大電容變?yōu)殡姼行詴r(shí)，小電容還保持電容性，于某一特殊頻率將會(huì)組成LC諧振電路，造成無(wú)限大阻抗，因而完全失去旁路作用，若有此情況發(fā)生，使用單一電容會(huì)更為有效。 7．在電路板所有電源輸入連接器邊，及上升時(shí)間快于3ns之元件的電源腳，設(shè)置并聯(lián)電容。 8．在PCB電源輸入端及扳子的對(duì)角方向處，應(yīng)該使用足夠大容量的電容器，保證電路切換狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電流變化。對(duì)其他電路的去耦電容也應(yīng)有同樣考慮，工作電流越大，所需的電容量就越大。以減小電壓和電流的脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，去耦電容肩負(fù)去耦和續(xù)流的雙重作用。 9．如果使用了太多的去耦電容，當(dāng)開機(jī)時(shí)會(huì)從電源吸收大量電流，因此，在電源輸出端應(yīng)該放一群大電容來(lái)提供大電流量。 （三）阻抗變換與匹配 1．在低頻電路中，匹配的概念是相當(dāng)重要的（使負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)阻共軛相等）。在高頻電路中，信號(hào)線終端的匹配更為重要： 一方面要求ZL=Zc，保證沿線無(wú)駐波；另一方面，為獲得最大功率，要求信號(hào)線輸入端與激勵(lì)源相接時(shí)應(yīng)共軛匹配。因此，匹配對(duì)微波電路的工作性能產(chǎn)生直接影響。可見： 若終端不匹配，信號(hào)線上會(huì)產(chǎn)生反射和駐波，導(dǎo)致負(fù)載功率下降（高功率駐波還會(huì)在波腹點(diǎn)產(chǎn)生打火現(xiàn)象）。 由于反射波的存在，將對(duì)激勵(lì)源產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致工作頻率和輸出功率穩(wěn)定性下降。 然而，實(shí)際中給定的負(fù)載阻抗與信號(hào)線特性阻抗不一定相同，信號(hào)線與激勵(lì)源阻抗也不一定共軛，因而必須了解及應(yīng)用阻抗匹配技術(shù)。 2．λ/4阻抗變換器 當(dāng)信號(hào)線長(zhǎng)L=λ/4，即βL=π/2時(shí)，可得 Zin=Zc2/ZL 上式表明，經(jīng)λ/4PCB傳輸線變換后，其阻抗將發(fā)生顯著變化。可以知道：當(dāng)ZL不匹配時(shí)，可利用對(duì)PCB傳輸線的再構(gòu)造來(lái)達(dá)到匹配目的。對(duì)于兩段特性阻抗分別為Z'c、Z"c的PCB傳輸線，可通過(guò)的PCB傳輸線連接以達(dá)到使Z'c與Z"c匹配的目的。 需注意的是：λ/4阻抗變換器匹配兩段阻抗不同的PCB傳輸線后的工作頻率很窄。 3．單分支短路線匹配 可采用在PCB傳輸線適當(dāng)位置并接經(jīng)過(guò)適當(dāng)構(gòu)造之短路線的形式改變PCB傳輸線阻抗而達(dá)到匹配目的。 （四）PCB分層 高頻電路往往集成度較高布線密度大采用多層板既是布線所必須的也是降低干擾的有效手段合理選擇層數(shù)能大幅度降低印板尺寸能充分利用中間層來(lái)設(shè)置屏蔽能更好地實(shí)現(xiàn)就近接地能有效地降低寄生電感能有效縮短信號(hào)的傳輸長(zhǎng)度能大幅度地降低信號(hào)間的交叉干擾等等所有這些都對(duì)高頻電路的可靠工作有利有資料顯示同種材料時(shí)四層板要比雙面板的噪聲低20dB但是板層數(shù)越高制造工藝越復(fù)雜成本越高。 （五）電源隔離與地線分割 不同功能或者不同要求的電路布線，常常需要進(jìn)行電源隔離和地線分割。如模擬電路與數(shù)字電路、弱信號(hào)電路與強(qiáng)信號(hào)電路、敏感電路（PLL、低抖動(dòng)觸發(fā)等）與其它電路等，互相之間應(yīng)該盡量減小干擾，電路才能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)要求。 基本要求： 1．不同區(qū)域的電源層或地層應(yīng)該在電源入口處接在一起，通常為樹型結(jié)構(gòu)或手指形結(jié)構(gòu)，不同功能電路的地線分割方法，分割縫隙和板子邊緣不得小于2mm。 2．不同種類電源區(qū)域和地區(qū)域不能互相交叉 3．壕溝與橋。由于地平面的分區(qū)分割，常常會(huì)造成各功能電路之間的信號(hào)傳輸返回回路的不連續(xù)，為了保證信號(hào)、電源以及地的連接，除了采用變壓器隔離（不能傳輸直流信號(hào)）、光耦合器隔離（難于傳送高頻）之外，常用橋接方式。“橋”實(shí)際上是壕溝上的一個(gè)缺口，且僅有一處而已，信號(hào)線、電源及接地都由此處越過(guò)壕溝如圖所示。當(dāng)使用這種方法時(shí)，如果是多點(diǎn)接地系統(tǒng)（所有高速設(shè)計(jì)都是）最好將橋的兩邊都接到機(jī)殼地。 三、結(jié)論 在產(chǎn)品工程中，PCB的設(shè)計(jì)占據(jù)非常重要的位置，尤其在高頻電設(shè)計(jì)中尤其重要，同樣的原理設(shè)計(jì),同樣的元器件,不同的人制作出來(lái)的PCB就具有不同的結(jié)果。有很多原理上行得通的東西在工程中卻難以實(shí)現(xiàn),或是別人能實(shí)現(xiàn)的東西另一些人卻實(shí)現(xiàn)不了,因此說(shuō)做一塊PCB板不難,但要做好一塊PCB板卻不是一件容易的事情。 |
