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(jì)過(guò)程的最后幾個(gè)步驟之一。高速PCB布線有很多方面的問(wèn)題，關(guān)于這個(gè)題目已有人撰寫了大量的文獻(xiàn)。本文主要從實(shí)踐的角度來(lái)探討高速電路的布線問(wèn)題。

 

 

如果不是你自己設(shè)計(jì)布線，一定要留出充裕的時(shí)間仔細(xì)檢查布線人的設(shè)計(jì)。在這點(diǎn)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(jì)過(guò)程的初期你的意見(jiàn)和指導(dǎo)是最重要的。

 

你能提供的信息越多，并且整個(gè)布線過(guò)程中你介入的越多，結(jié)果得到的PCB就會(huì)越好。給布線設(shè)計(jì)工程師設(shè)置一個(gè)暫定的完成點(diǎn)——按照你想要的布線進(jìn)展報(bào)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最低。
 

電路功能的簡(jiǎn)短描述？

標(biāo)明輸入和輸出位置的PCB略圖？

PCB層疊信息？

各層需要那些信號(hào)？

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(zhǎng)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。

 

 

正像在PCB中，位置決定一切。將一個(gè)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(bào)的原因。從關(guān)鍵元件的位置入手，根據(jù)具體電路和整個(gè)PCB來(lái)考慮。從一開(kāi)始就規(guī)定關(guān)鍵元件的位置以及信號(hào)的路徑有助于確保設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的工作目標(biāo)。一次就得到正確的設(shè)計(jì)可以降低成本和壓力——也就縮短了開(kāi)發(fā)周期。

 

 

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、頭痛令人、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(guò)長(zhǎng)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1(a)示出了一個(gè)典型的同相運(yùn)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(huì)變成圖1(b)那樣。

 

圖1.典型的運(yùn)算放大器電路，

(a)原設(shè)計(jì)圖,(b)考慮寄生效應(yīng)后的圖

 

在高速電路中，很小的值就會(huì)影響電路的性能。有時(shí)候幾十個(gè)皮法(pF)的電容就足夠了。如果寄生電容足夠大的話，它會(huì)引起電路的不穩(wěn)定和振蕩。

 

當(dāng)尋找有問(wèn)題的寄生源時(shí)，可能用得著幾個(gè)計(jì)算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計(jì)算平行極板電容器的公式。

 

 

公式(1)中：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(duì)介電常數(shù)，d表示以cm為單位的極板間距離。

 

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(guò)長(zhǎng)或缺乏接地平面引起的。公式(2)是計(jì)算印制線電感(Inductance)的公式。

 

 

公式(2)中：W表示印制線寬度，L表示印制線長(zhǎng)度，H表示印制線的厚度。全部尺寸都以mm為單位。

 

圖2中的振蕩示出了高速運(yùn)算放大器同相輸入端長(zhǎng)度為2.54cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29nH(10-9H)，足以造成持續(xù)的低壓振蕩，會(huì)持續(xù)到整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)周期。圖7還示出了如何利用接地平面來(lái)減小寄生電感的影響。

 

圖2.有接地平面和沒(méi)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(jì)算寄生電感的公式。

 

 

公式(3)中：T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。

 

公式(4)是如何計(jì)算通孔引起的寄生電容值的公式。

 

 

公式(4)中：εr表示PCB材料的相對(duì)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0.157cm厚的PCB上一個(gè)通孔就可以增加1.2nH的寄生電感和0.5pF的寄生電容。這就是為什么在給PCB布線時(shí)一定要時(shí)刻保持戒備的原因，要將寄生效應(yīng)的影響降至最小。