高速PCB布線實踐指南

高整電路板在PCB布局時需要非常注意，稍不細(xì)心，就可能帶來電磁兼容以及干擾的問題。現(xiàn)在給大家介紹一些實用的布線指南。

印制電路板（PCB）布線在高速電路中具有關(guān)鍵的作用，但它往往是電路設(shè)計過程的*后幾個步驟之一。高速PCB布線有很多方面的問題，關(guān)于這個題目已有人撰寫了大量的文獻(xiàn)。本文主要從實踐的角度來探討高速電路的布線問題。主要目的在于幫助新用戶當(dāng)設(shè)計高速電路PCB布線時對需要考慮的多種不同問題引起注意。另一個目的是為已經(jīng)有一段時間沒接觸PCB布線的客戶提供一種復(fù)習(xí)資料。由于版面有限，本文不可能詳細(xì)地論述所有的問題，但是我們將討論對提高電路性能、縮短設(shè)計時間、節(jié)省修改時間具有*大成效的關(guān)鍵部分。

雖然這里主要針對與高速運算放大器有關(guān)的電路，但是這里所討論的問題和方法對用于大多數(shù)其它高速模擬電路的布線是普遍適用的。當(dāng)運算放大器工作在很高的射頻（RF）頻段時，電路的性能很大程度上取決于PCB布線。“圖紙”上看起來很好的高性能電路設(shè)計，如果由于布線時粗心馬虎受到影響，*后只能得到普通的性能。在整個布線過程中預(yù)先考慮并注意重要的細(xì)節(jié)會有助于確保預(yù)期的電路性能。

原理圖
盡管優(yōu)良的原理圖不能保證好的布線，但是好的布線開始于優(yōu)良的原理圖。在繪制原理圖時要深思熟慮，并且必須考慮整個電路的信號流向。如果在原理圖中從左到右具有正常穩(wěn)定的信號流，那么在PCB上也應(yīng)具有同樣好的信號流。在原理圖上盡可能多給出有用的信息。因為有時候電路設(shè)計工程師不在，客戶會要求我們幫助解決電路的問題，從事此工作的設(shè)計師、技術(shù)員和工程師都會非常感激，也包括我們。

除了普通的參考標(biāo)識符、功耗和誤差容限外，原理圖中還應(yīng)該給出哪些信息呢？下面給出一些建議，可以將普通的原理圖變成**的原理圖。加入波形、有關(guān)外殼的機(jī)械信息、印制線長度、空白區(qū)；標(biāo)明哪些元件需要置于PCB上面；給出調(diào)整信息、元件取值范圍、散熱信息、控制阻抗印制線、注釋、扼要的電路動作描述……(以及其它)。

誰都別信
如果不是你自己設(shè)計布線，一定要留出充裕的時間仔細(xì)檢查布線人的設(shè)計。在這點上很小的預(yù)防抵得上一百倍的補(bǔ)救。不要指望布線的人能理解你的想法。在布線設(shè)計過程的初期你的意見和指導(dǎo)是*重要的。你能提供的信息越多，并且整個布線過程中你介入的越多，結(jié)果得到的PCB就會越好。給布線設(shè)計工程師設(shè)置一個暫定的完成點——按照你想要的布線進(jìn)展報告快速檢查。這種“閉合環(huán)路”方法可以防止布線誤入歧途，從而將返工的可能性降至*低。

需要給布線工程師的指示包括：電路功能的簡短描述，標(biāo)明輸入和輸出位置的PCB略圖，PCB層疊信息（例如，板子有多厚，有多少層，各信號層和接地平面的詳細(xì)信息——功耗、地線、模擬信號、數(shù)字信號和RF信號）；各層需要那些信號；要求重要元件的放置位置；旁路元件的確切位置；哪些印制線很重要；哪些線路需要控制阻抗印制線；哪些線路需要匹配長度；元件的尺寸；哪些印制線需要彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些線路需要彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些元器件需要彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面。永遠(yuǎn)不要抱怨需要給別人的信息太多——太少嗎？是；太多嗎？不。

一條學(xué)習(xí)經(jīng)驗：大約10年前，我設(shè)計一塊多層的表面貼電路板——板子的兩面都有元件。用很多螺釘將板子固定在一個鍍金的鋁制外殼中（因為有很嚴(yán)格的防震指標(biāo)）。提供偏置饋通的引腳穿過板子。該引腳是通過焊接線連接到PCB上的。這是一個很復(fù)雜的裝置。板子上的一些元件是用于測試設(shè)定（SAT）的。但是我已經(jīng)明確規(guī)定了這些元件的位置。你能猜出這些元件都安裝在什么地方嗎？對了，在板子的下面。當(dāng)產(chǎn)品工程師和技術(shù)員不得不將整個裝置拆開，完成設(shè)定后再將它們重新組裝的時候，顯得很不高興。從那以后我再也沒有犯過這種錯誤了。

位置
正像在PCB中，位置決定一切。將一個電路放在PCB上的什么位置，將其具體的電路元件安裝在什么位置，以及其相鄰的其它電路是什么，這一切都非常重要。

通常，輸入、輸出和電源的位置是預(yù)先確定好的，但是它們之間的電路就需要“發(fā)揮各自的創(chuàng)造性”了。這就是為什么注意布線細(xì)節(jié)將產(chǎn)生巨大回報的原因。從關(guān)鍵元件的位置入手，根據(jù)具體電路和整個PCB來考慮。從一開始就規(guī)定關(guān)鍵元件的位置以及信號的路徑有助于確保設(shè)計達(dá)到預(yù)期的工作目標(biāo)。一次就得到正確的設(shè)計可以降低成本和壓力——也就縮短了開發(fā)周期。

旁路電源
在放大器的電源端旁路電源以便降低噪聲是PCB設(shè)計過程中一個很重要的方面——包括對高速運算放大器還是其它的高速電路。旁路高速運算放大器有兩種常用的配置方法。

電源端接地：這種方法在大多數(shù)情況下都是*有效的，采用多個并聯(lián)電容器將運算放大器的電源引腳直接接地。一般說來兩個并聯(lián)電容就足夠了——但是增加并聯(lián)電容器可能給某些電路帶來益處。

并聯(lián)不同的電容值的電容器有助于確保電源引腳在很寬的頻帶上只能看到很低的交流（AC）阻抗。這對于在運算放大器電源抑制比（PSR）衰減頻率處尤其重要。該電容器有助于補(bǔ)償放大器降低的PSR。在許多十倍頻程范圍內(nèi)保持低阻抗的接地通路將有助于確保有害的噪聲不能進(jìn)入運算放大器。圖1示出了采用多個并聯(lián)電容器的優(yōu)點。在低頻段，大的電容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦頻率達(dá)到了它們自身的諧振頻率，電容器的容性就會減弱，并且逐漸呈現(xiàn)出感性。這就是為什么采用多個電容器是很重要的原因：當(dāng)一個電容器的頻率響應(yīng)開始下降時，另一個電容器的頻率響應(yīng)開始其作用，所以能在許多十倍頻程范圍內(nèi)保持很低的AC阻抗。

圖1. 電容器的阻抗與頻率的關(guān)系。

直接從運算放大器的電源引腳入手；具有*小電容值和*小物理尺寸的電容器應(yīng)當(dāng)與運算放大器置于PCB的同一面——而且盡可能靠近放大器。電容器的接地端應(yīng)該用*短的引腳或印制線直接連至接地平面。上述的接地連接應(yīng)該盡可能靠近放大器的負(fù)載端以便減小電源端和接地端之間的干擾。圖2示出了這種連接方法。

圖2. 旁路電源端和地的并聯(lián)電容器。

對于次大電容值的電容器應(yīng)該重復(fù)這個過程。*好從0.01 µF*小電容值開始放置，并且靠近放置一個2.2 µF（或大一點兒）的具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電解電容器。采用0508外殼尺寸的0.01 µF電容器具有很低的串聯(lián)電感和優(yōu)良的高頻性能。

電源端到電源端：另外一種配置方法采用一個或多個旁路電容跨接在運算放大器的正電源端和負(fù)電源端之間。當(dāng)在電路中配置四個電容器很困難的情況下通常采用這種方法。它的缺點是電容器的外殼尺寸可能增大，因為電容器兩端的電壓是單電源旁路方法中電壓值的兩倍。增大電壓就需要提高器件的額定擊穿電壓，也就是要增大外殼尺寸。但是，這種方法可以改進(jìn)PSR和失真性能。

因為每種電路和布線都是不同的，所以電容器的配置、數(shù)量和電容值都要根據(jù)實際電路的要求而定。

寄生效應(yīng)
所謂寄生效應(yīng)就是那些溜進(jìn)你的PCB并在電路中大施破壞、**令人、原因不明的小故障（按照字面意思）。它們就是滲入高速電路中隱藏的寄生電容和寄生電感。其中包括由封裝引腳和印制線過長形成的寄生電感；焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間形成的寄生電容；通孔之間的相互影響，以及許多其它可能的寄生效應(yīng)。圖3（a）示出了一個典型的同相運算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應(yīng)的話，同樣的電路可能會變成圖3(b)那樣。

圖3. 典型的運算放大器電路，（a）原設(shè)計圖，（b）考慮寄生效應(yīng)后的圖。

在高速電路中，很小的值就會影響電路的性能。有時候幾十個皮法（pF）的電容就足夠了。相關(guān)實例：如果在反相輸入端僅有1 pF的附加寄生電容，它在頻率域可以引起差不多2 dB的尖脈沖（見圖4）。如果寄生電容足夠大的話，它會引起電路的不穩(wěn)定和振蕩。

圖4. 由寄生電容引起的附加尖脈沖。

當(dāng)尋找有問題的寄生源時，可能用得著幾個計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式（1）是計算平行極板電容器（見圖5）的公式。

(1)

C表示電容值，A表示以cm²為單位的極板面積，k表示PCB材料的相對介電常數(shù)，d表示以cm為單位的極板間距離。

圖5. 兩極板間的電容。

帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應(yīng)，它是由于印制線過長或缺乏接地平面引起的。式（2）示出了計算印制線電感（Inductance）的公式。參見圖6。

(2)

W表示印制線寬度，L表示印制線長度，H表示印制線的厚度。全部尺寸都以mm為單位。

圖6. 印制線電感。

圖7中的振蕩示出了高速運算放大器同相輸入端長度為2.54 cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29 nH（10－9H），足以造成持續(xù)的低壓振蕩，會持續(xù)到整個瞬態(tài)響應(yīng)周期。圖7還示出了如何利用接地平面來減小寄生電感的影響。

圖7. 有接地平面和沒有接地平面的脈沖響應(yīng)。

通孔是另外一種寄生源；它們能引起寄生電感和寄生電容。公式（3）是計算寄生電感的公式（參見圖8）。

(3)

T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。

圖8. 通孔尺寸。

公式（4）示出了如何計算通孔（參見圖8）引起的寄生電容值。

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ε_r表示PCB材料的相對磁導(dǎo)率。T表示PCB的厚度。D₁表示環(huán)繞通孔的焊盤直徑。D₂表示接地平面中隔離孔的直徑。所有尺寸均以cm為單位。在一塊0.157 cm厚的PCB上一個通孔就可以增加1.2 nH的寄生電感和0.5 pF的寄生電容；這就是為什么在給PCB布線時一定要時刻保持戒備的原因，要將寄生效應(yīng)的影響降至*小。

接地平面
實際上需要討論的內(nèi)容遠(yuǎn)不止本文提到的這些，但是我們會重點突出一些關(guān)鍵特性并鼓勵讀者進(jìn)一步探討這個題。本文的*后列出有關(guān)的參考文獻(xiàn)。

接地平面起到公共基準(zhǔn)電壓的作用，提供屏蔽，能夠散熱和減小寄生電感（但它也會增加寄生電容）的功能。雖然使用接地平面有許多好處，但是在實現(xiàn)時也必須小心，因為它對能夠做的和不能夠做的都有一些限制。

理想情況下，PCB有一層應(yīng)該專門用作接地平面。這樣當(dāng)整個平面不被破壞時才會產(chǎn)生*好的結(jié)果。千萬不要挪用此專用層中接地平面的區(qū)域用于連接其它信號。由于接地平面可以消除導(dǎo)體和接地平面之間的磁場，所以可以減小印制線電感。如果破壞接地平面的某個區(qū)域，會給接地平面上面或下面的印制線引入意想不到的寄生電感。

因為接地平面通常具有很大的表面積和橫截面積，所以使接地平面的電阻保持*小值。在低頻段，電流會選擇電阻*小的路徑，但是在高頻段，電流會選擇阻抗*小的路徑。

然而也有例外，有時候小的接地平面會更好。如果將接地平面從輸入或者輸出焊盤下挪開，高速運算放大器會更好地工作。因為在輸入端的接地平面引入的寄生電容，增加了運算放大器的輸入電容，減小了相位裕量，從而造成不穩(wěn)定性。正如在寄生效應(yīng)一節(jié)的討論中所看到的，運算放大器輸入端1 pF的電容能引起很明顯的尖脈沖。輸出端的容性負(fù)載——包括寄生的容性負(fù)載——造成了反饋環(huán)路中的極點。這會降低相位裕量并造成電路變得不穩(wěn)定。

如果有可能的話，模擬電路和數(shù)字電路——包括各自的地和接地平面——應(yīng)該分開。快速的上升沿會造成電流毛刺流入接地平面。這些快速的電流毛刺引起的噪聲會破壞模擬性能。模擬地和數(shù)字地（以及電源）應(yīng)該被連接到一個共用的接地點以便降低循環(huán)流動的數(shù)字和模擬接地電流和噪聲。

在高頻段，必須考慮一種稱為“趨膚效應(yīng)”的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)會引起電流流向?qū)Ь€的外表面——結(jié)果會使得導(dǎo)線的橫截面變窄，因此使直流（DC）電阻增大。雖然趨膚效應(yīng)超出了本文討論的范圍，這里還是給出銅線中趨膚深度(Skin Depth)的一個很好的近似公式（以cm為單位）：

(5)

低靈敏度的電鍍金屬有助于減小趨膚效應(yīng)。

封裝
運算放大器通常采用不同的封裝形式。所選的封裝會影響放大器的高頻性能。主要的影響包括寄生效應(yīng)（前面提到的）和信號路徑。這里我們集中討論放大器的路徑輸入、輸出和電源。

圖9示出了采用SOIC封裝（a）和SOT-23封裝（b）的運算放大器之間的布線區(qū)別。每種封裝都有它自身的一些問題。重點看（a），仔細(xì)觀察反饋路徑就發(fā)現(xiàn)有多種方法連接反饋。*重要的是保證印制線長度*短。反饋路徑中的寄生電感會引起振鈴和過沖。在圖9（a）和9（b）中，環(huán)繞放大器連接反饋路徑。圖9（c）示出了另外一種方法——在SOIC封裝下面連接反饋路徑——這樣就減小了反饋路徑的長度。每種方法都有細(xì)微的差別。**種方**導(dǎo)致印制線過長，會增大串聯(lián)電感。?%A