高速PCB设计指南(电子工程师必看)

高速PCB设计指南之四  
Posted: 2006-2-27 17:47:42  
第一篇 印制电路板的可靠性设计

　　目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。
一、 地线设计
在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：
1. 正确选择单点接地与多点接地
低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
2. 将数字电路与模拟电路分开
电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
3. 尽量加粗接地线
若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
4. 将接地线构成闭环路
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

二、电磁兼容性设计
　　电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。
1. 选择合理的导线宽度由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.2～1.0mm之间选择。
2. 采用正确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。 为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。
为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点：
●尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。
●时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。
●总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。
●数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。
●在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图1的方式排列器件。
3.抑制反射干扰为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验，对一般速度较快的TTL电路，其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。

三、去耦电容配置
　　在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下：
●电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
●为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。
●对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
●去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。

四、印制电路板的尺寸与器件的布置
　　印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。
在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。如图2所示。时种发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另做电路板，这一点十分重要

五、热设计
　　从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则：
•对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列，如图3示；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排列，如图4所示。
•同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。
•在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。
•对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。
•设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。
大量实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制电路的温升，从而使器件及设备的故障率明显下降。
以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则，印制电路板可靠性与具体电路有着密切的关系，在设计中不还需根据具体电路进行相应处理，才能最大程度地保证印制电路板的可靠性。

六、产品骚扰的抑制方案
1 接地1.1 设备的信号接地
目的：为设备中的任何信号提供一个公共的参考电位。
方式：设备的信号接地系统可以是一块金属板。
1.2 基本的信号接地方式
有三种基本的信号接地方式：浮地、单点接地、多点接地。
1.2.1 浮地 目的：使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来，浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。 缺点：容易出现静电积累引起强烈的静电放电。 折衷方案：接入泄放电阻。
1.2.2 单点接地 方式：线路中只有一个物理点被定义为接地参考点，凡需要接地均接于此。 缺点：不适宜用于高频场合。
1.2.3 多点接地 方式：凡需要接地的点都直接连到距它最近的接地平面上，以便使接地线长度为最短。 缺点：维护较麻烦。
1.2.4 混合接地 按需要选用单点及多点接地。
1.3 信号接地线的处理（搭接）
搭接是在两个金属点之间建立低阻抗的通路。
分直接搭接、间接搭接方式。
无论哪一种搭接方式，最重要的是强调搭接良好。
1.4 设备的接地（接大地）
设备与大地连在一起，以大地为参考点，目的：
1） 实现设备的安全接地
2） 泄放机箱上所积累的电荷，避免设备内部放电。
3） 接高设备工作的稳定性，避免设备对大地的电位在外界电磁环境作用下发生的变化。
1.5 拉大地的方法和接地电阻 接地棒。
1.6 电气设备的接地

例2 屏蔽2.1 电场屏蔽2.1.1 电场屏蔽的机理 分布电容间的耦合 处理方法：
1） 增大A、B距离。
2） B尽量贴近接地板。
3）A、B间插入金属屏蔽板。
2.1.2 电场屏蔽设计重点：
1） 屏蔽板程控受保护物；屏蔽板接地必须良好。
2） 注意屏蔽板的形状。
3） 屏蔽板以良好导体为好，厚度无要求，强度要足够。
2.2 磁场屏蔽
2.2.1 磁场屏蔽的机理
高导磁材料的低磁阻起磁分路作用，使屏蔽体内的磁场大大降低。
2.2.2 磁场屏蔽设计重点
1） 选用高导磁率材料。
2） 增加屏蔽体的壁厚。
3） 被屏蔽物不要紧靠屏蔽体。
4） 注意结构设计。
5） 对强用双层磁屏蔽体。
2.3 电磁场屏蔽的机理
1） 表面的反射。
2） 屏蔽体内部的吸收。
2.3.2 材料对电磁屏蔽的效果
2.4 实际的电磁屏蔽体

七、产品内部的电磁兼容性设计

1 印刷电路板设计中的电磁兼容性
1.1 印刷线路板中的公共阻抗耦合问题 数字地与模拟地分开，地线加宽。
1.2 印刷线路板的布局
※对高速、中速和低速混用时，注意不同的布局区域。
※对低模拟电路和数字逻辑要分离。
1.3 印刷线路板的布线（单面或双面板）
※专用零伏线，电源线的走线宽度≥1mm。
※电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。
※要为模拟电路专门提供一根零伏线。
※为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，在意安插一些零伏线作为线间隔离。
※印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离。
※特别注意电流流通中的导线环路尺寸。
※如有可能在控制线（于印刷板上）的入口处加接R-C去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。
※印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角(≥90度)。
1.4 对在印刷线路板上使用逻辑电路有益建议
※凡能不用高速逻辑电路的就不用。
※在电源与地之间加去耦电容。
※注意长线传输中的波形畸变。
※用R-S触发的作按钮与电子线路之间配合的缓冲。
1.4.1 逻辑电路工作时，所引入的电源线干扰及抑制方法
1.4.2 逻辑电路输出波形传输中的畸变问题
1.4.3 按钮操作与电子线路工作的配合问题
1.5 印刷线路板的互连 主要是线间串扰，影响因素：
※直角走线
※屏蔽线
※阻抗匹配
※长线驱动


2 开关电源设计中的电磁兼容性

2.1 开关电源对电网传导的骚扰与抑制
骚扰来源：
①非线性流。
②初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容光焕发性耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。
抑制方法：
①对开关电压波形进行“修整”。
②在晶体管与散热器之间加装带屏蔽层的绝缘垫片。
③在市电输入电路中加接电源滤波器。

2.2 开关电源的辐射骚扰与抑制
注意辐射骚扰与抑制
抑制方法：
①尽可能地减小环路面积。
②印刷线路板上正负载流导体的布局。
③在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器。
④对晶体管开关波形进行“修整”。

2.3 输出噪声的减小
原因是二极管反向电流陡变及回路分布电感。二极管结电容等形成高频衰减振荡，而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用，因此在输出改波中出现尖峰干扰解决办法是加小电感和高频电容。

3 设备内部的布线
3.1 线间电磁耦合现象及抑制方法
对磁场耦合：
①减小干扰和敏感电路的环路面积最好办法是使用双绞线和屏蔽线。
②增大线间距离（使互感减小）。
③尽可有使干扰源线路与受感应线路呈直角布线。
对电容耦合：
①增大线间距离。
②屏蔽层接地。
③降低敏感线路的输入阻抗。
④如有可能在敏感电路采用平衡线路作输入，利用平衡线路固有的共模抑制能力克服干扰源对敏感线路的干扰。

3.2 一般的布线方法：
按功率分类，不同分类的导线应分别捆扎，分开敷设的线束间距离应为50～75mm。

4 屏蔽电缆的接地
4.1 常用的电缆
※双绞线在低于100KHz下使用非常有效，高频下因特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射而受到限制。
※带屏蔽的双绞线，信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消。
※非屏蔽双绞线抵御静电耦合的能力差些。但对防止磁场感应仍有很好作用。非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比。
※同轴电缆有较均匀的特性阻抗和较低的损耗，使从真流到甚高频都有较好特性。
※无屏蔽的带状电缆。
最好的接线方式是信号与地线相间，稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推，或专用一块接地平板。

4.2 电缆线屏蔽层的接地
总之，将负载直接接地的方式是不合适的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。

4.3 电缆线的端接方法
在要求高的场合要为内导体提供360°的完整包裹，并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。

5 对静电的防护
静电放电可通过直接传导，电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路。
直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏，对邻近物体的放电通过电容或电感耦合，会影响到电路工作的稳定性。
防护方法：
①建立完善的屏蔽结构，带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。
②金属外壳接地可限制外壳电位的升高，造成内部电路与外壳之间的放电。
③内部电路如果要与金属外壳相连时，要用单点接地，防止放电电流流过内部电路。
④在电缆入口处增加保护器件。
⑤在印刷板入口处增加保护环（环与接地端相连）。

6 设备内部开关接点的处理
6.1 开关断开过程中瞬变干扰形成
6.2 干扰的抑制措施
6.2.1 对被切换电感负载的处理
6.2.2 对开关触点的处理

八、如何提高电子产品的抗干扰能力和电磁兼容性

在研制带处理器的电子产品时，如何提高抗干扰能力和电磁兼容性？
1、 下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰：
(1) 微控制器时钟频率特别高，总线周期特别快的系统。
(2) 系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等。
(3) 含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。
2、 为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：
(1) 选用频率低的微控制器： 选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小，但频率越高越容易发射出成为噪声源，微控制器产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。
(2) 减小信号传输中的畸变 微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右，输入电容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重，它会引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd＞Tr时，就成了一个传输线问题，必须考虑信号反射，阻抗匹配等问题。
信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr（标准延迟时间）为3到18ns之间。
在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说，信号在印刷线路上的引线越短越好，最长不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少，最好不多于2个。
当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。 用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则： 信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。
(3) 减小信号线间的交叉干扰： A点一个上升时间为Tr的阶跃信号通过引线AB传向B端。信号在AB线上的延迟时间是Td。在D点，由于A点信号的向前传输，到达B点后的信号反射和AB线的延迟，Td时间以后会感应出一个宽度为Tr的页脉冲信号。在C点，由于AB上信号的传输与反射，会感应出一个宽度为信号在AB线上的延迟时间的两倍，即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有关，与线间距离有关。当两信号线不是很长时，AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。
CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高，噪声高，噪声容限也很高，数字电路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB线是一模拟信号，这种干扰就变为不能容忍。如印刷线路板为四层板，其中有一层是大面积的地，或双面板，信号线的反面是大面积的地时，这种信号间的交叉干扰就会变小。原因是，大面积的地减小了信号线的特性阻抗，信号在D端的反射大为减小。特性阻抗与信号线到地间的介质的介电常数的平方成反比，与介质厚度的自然对数成正比。若AB线为一模拟信号，要避免数字电路信号线CD对AB的干扰，AB线下方要有大面积的地，AB线到CD线的距离要大于AB线与地距离的2~3倍。可用局部屏蔽地，在有引结的一面引线左右两侧布以地线。
(4) 减小来自电源的噪声 电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，即使电池供电的系统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。
(5) 注意印刷线板与元器件的高频特性 在高频情况下，印刷线路板上的引线，过孔，电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻产生对高频信号的反射，引线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。 印刷线路板的过孔大约引起0.6pf的电容。 一个集成电路本身的封装材料引入2~6pf电容。 一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直扦的24引脚集成电路扦座，引入4~18nH的分布电感。 这些小的分布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可以忽略不计的；而对于高速系统必须予以特别注意。
(6) 元件布置要合理分区 元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。G 处理好接地线 印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。
对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，这些都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。
对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起来。
(7) 用好去耦电容。 好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。 每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。
去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算；即10MHz取0.1uf，对微控制器构成的系统，取0.1~0.01uf之间都可以。
3、 降低噪声与电磁干扰的一些经验。
(1) 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在关键地方。
(2) 可用串一个电阻的办法，降低控制电路上下沿跳变速率。
(3) 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼。
(4) 使用满足系统要求的最低频率时钟。
(5) 时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地(6) 用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。
（7）I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。
(8) MCD无用端要接高，或接地，或定义成输出端，集成电路上该接电源地的端都要接，不要悬空。
(9) 闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。
(10) 印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。
(11) 印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。
(12) 单面板和双面板用单点接电源和单点接地、电源线、地线尽量粗，经济是能承受的话用多层板以减小电源，地的容生电感。
(13) 时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。
(14) 模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟。
(15) 对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交叉。
(16) 时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小，时钟元件引脚远离I/O电缆。
(17) 元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。
(18) 关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地。高速线要短要直。
(19) 对噪声敏感的线不要与大电流，高速开关线平行。
(20) 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。
(21) 弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。
(22) 任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。
(23) 每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
(24) 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接地

高速PCB设计指南之五  
Posted: 2006-2-27 17:48:31  
第一篇 DSP系统的降噪技术

随着高速DSP（数字信号处理器）和外设的出现，新产品设计人员面临着电磁干扰（EMI）日益严重的威胁。早期，把发射和干扰问题称之为EMI或RFI（射频干扰）。现在用更确定的词“干扰兼容性”替代。电磁兼容性（EMC）包含系统的发射和敏感度两方面的问题。假若干扰不能完全消除，但也要使干扰减少到最小。如果一个DSP系统符合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的。
1． 对其它系统不产生干扰。
2． 对其它系统的发射不敏感。
3． 对系统本身不产生干扰。

干扰定义
当干扰的能量使接收器处在不希望的状态时引起干扰。干扰的产生不是直接的（通过导体、公共阻抗耦合等）就是间接的（通过串扰或辐射耦合）。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射。很多电磁发射源，如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰。AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速数字电路中，时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源。在快速DSP中，这些电路可产生高达300MHz的谐波失真，在系统中应该把它们去掉。在数字电路中，最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

传导性EMI
一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可检拾噪声并把噪声送到另外电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声产生引起干扰前，用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

共阻抗耦合
当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定。来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制。噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

辐射耦合
经辐射的耦合通称串扰，串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

辐射发射
辐射发射有两种基本类型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

影响EMC的因数
电压——电源电压越高，意味着电压振幅越大而发射就更多，而低电源电压影响敏感度。
频率——高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频数字系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
接地——对于电路设计没有比可靠和完美的电源系统更重要的事情。在所有EMC问题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1MHz时可采用单点接地方法，但不适于高频。在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地而高频用多点接地的方法。地线布局是关键的。高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。
PCB设计——适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。
电源去耦——当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压。高di/dt产生大范围高频电流，激励部件和缆线辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

降低噪声的技术
防止干扰有三种方法：
1． 抑制源发射。
2． 使耦合通路尽可能地无效。
3． 使接收器对发射的敏感度尽量小。

下面介绍板级降噪技术。板级降噪技术包括板结构、线路安排和滤波。
板结构降噪技术包括：
* 采用地和电源平板
* 平板面积要大，以便为电源去耦提供低阻抗
* 使表面导体最少
* 采用窄线条（4到8密耳）以增加高频阻尼和降低电容耦合
* 分开数字、模拟、接收器、发送器地/电源线
* 根据频率和类型分隔PCB上的电路
* 不要切痕PCB，切痕附近的线迹可能导致不希望的环路
* 采用多层板密封电源和地板层之间的线迹
* 避免大的开环板层结构
* PCB联接器接机壳地，这为防止电路边界处的辐射提供屏蔽
* 采用多点接地使高频地阻抗低
* 保持地引脚短于波长的1/20,以防止辐射和保证低阻抗线路安排降噪技术包括用45。而不是90。线迹转向，90。转向会增加电容并导致传输线特性阻抗变化
* 保持相邻激励线迹之间的间距大于线迹的宽度以使串扰最小
* 时钟信号环路面积应尽量小
* 高速线路和时钟信号线要短和直接连接
* 敏感的线迹不要与传输高电流快速开关转换信号的线迹并行
* 不要有浮空数字输入，以防止不必要的开关转换和噪声产生
* 避免在晶振和其它固有噪声电路下面有供电线迹
* 相应的电源、地、信号和回路线迹要平行以消除噪声
* 保持时钟线、总线和片使能与输入/输出线和连接器分隔
* 路线时钟信号正交I/O信号
* 为使串扰最小，线迹用直角交叉和散置地线
* 保护关键线迹（用4密耳到8密耳线迹以使电感最小，路线紧靠地板层，板层之间夹层结构，保护夹层的每一边都有地）

滤波技术包括：
* 对电源线和所有进入PCB的信号进行滤波
* 在IC的每一个点原引脚用高频低电感陶瓷电容（14MHz用0.1UF，超过15MHz用0.01UF）进行去耦
* 旁路模拟电路的所有电源供电和基准电压引脚
* 旁路快速开关器件
* 在器件引线处对电源/地去耦
* 用多级滤波来衰减多频段电源噪声

其它降噪设计技术有：
* 把晶振安装嵌入到板上并接地
* 在适当的地方加屏蔽
* 用串联终端使谐振和传输反射最小，负载和线之间的阻抗失配会导致信号部分反射，反射包括瞬时扰动和过冲，这会产生很大的EMI
* 安排邻近地线紧靠信号线以便更有效地阻止出现电场
* 把去耦线驱动器和接收器适当地放置在紧靠实际的I/O接口处，这可降低到PCB其它电路的耦合，并使辐射和敏感度降低
* 对有干扰的引线进行屏蔽和绞在一起以消除PCB上的相互耦合
* 在感性负载上用箝位二极管
EMC是DSP系统设计所要考虑的重要问题，应采用适当的降噪技术使DSP系统符合EMC要求

第二篇 PowerPCB在印制电路板设计中的应用技术

作者 :中国船舶工业总公司第七0七研究所 谷健
印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子产品的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。
一、 PCB设计的一般原则
要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下的一般性原则：
1.布局
首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：
（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
（3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
（4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
（5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

根据电路的功能单元。对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
（1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
（4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽双为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

2.布线
布线的原则如下：
（1）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
（2）印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1～15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃。因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于5～8mil。
（3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
3.焊盘
焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

二、 PCB及电路抗干扰措施
印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。
1.电源线设计
根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2.地线设计
在电子产品设计中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：
（1）正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
（2）数字地与模拟地分开。
电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。
（3）接地线应尽量加粗。
若接地线用很细的线条，则接地电位则随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
（4）接地线构成闭环路。
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

3.退藕电容配置
PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：
（1）电源输入端跨接10～100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。
（2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1～10pF的钽电容。
（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外，还应注意以下两点：
（1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2K，C取2.2～47uF。
（2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

三、 PowerPCB简介
PowerPCB是美国Innoveda公司软件产品。
PowerPCB能够使用户完成高质量的设计，生动地体现了电子设计工业界各方面的内容。其约束驱动的设计方法可以减少产品完成时间。你可以对每一个信号定义安全间距、布线规则以及高速电路的设计规则，并将这些规划层次化的应用到板上、每一层上、每一类网络上、每一个网络上、每一组网络上、每一个管脚对上，以确保布局布线设计的正确性。它包括了丰富多样的功能，包括簇布局工具、动态布线编辑、动态电性能检查、自动尺寸标注和强大的CAM输出能力。它还有集成第三方软件工具的能力，如SPECCTRA布线器。
四、 PowerPCB使用技巧
PowerPCB目前已在我所推广使用，它的基本使用技术已有培训教材进行了详细的讲解，而对于我所广大电子应用工程师来说，其问题在于已经熟练掌握了TANGO之类的布线工具之后，如何转到PowerPCB的应用上来。所以，本文就此类应用和培训教材上没有讲到，而我们应用较多的一些技术技巧作了论述。
1.输入的规范问题
对于大多数使用过TANGO的人来说，刚开始使用PowerPCB的时候，可能会觉得PowerPCB的限制太多。因为PowerPCB对原理图输入和原理图到PCB的规则传输上是以保证其正确性为前提的。所以，它的原理图中没有能够将一根电气连线断开的功能，也不能随意将一根电气连线在某个位置停止，它要保证每一根电气连线都要有起始管脚和终止管脚，或是接在软件提供的连接器上，以供不同页面间的信息传输。这是它防止错误发生的一种手段，其实，也是我们应该遵守的一种规范化的原理图输入方式。
在PowerPCB设计中，凡是与原理图网表不一致的改动都要到ECO方式下进行，但它给用户提供了OLE链接，可以将原理图中的修改传到PCB中，也可以将PCB中的修改传回原理图。这样，既防止了由于疏忽引起的错误，又给真正需要进行修改提供了方便。但是，要注意的是，进入ECO方式时要选择“写ECO文件”选项，而只有退出ECO方式，才会进行写ECO文件操作。
2.电源层和地层的选择
PowerPCB中对电源层和地层的设置有两种选择，CAM Plane和Split/Mixed。Split/Mixed主要用于多个电源或地共用一个层的情况，但只有一个电源和地时也可以用。它的主要优点是输出时的图和光绘的一致，便于检查。而CAM Plane用于单个的电源或地，这种方式是负片输出，要注意输出时需加上第25层。第25层包含了地电信息，主要指电层的焊盘要比正常的焊盘大20mil左右的安全距离，保证金属化过孔之后，不会有信号与地电相连。这就需要每个焊盘都包含有第25层的信息。而我们自己建库时往往会忽略这个问题，造成使用Split/Mixed选项。
3.推挤还是不推挤
PowerPCB提供了一个很好用的功能就是自动推挤。当我们手动布线时，印制板在我们的完全控制之下，打开自动推挤的功能，会感到非常的方便。但是如果在你完成了预布线之后，要自动布线时，最好将预布好的线固定住，否则自动布线时，软件会认为此线段可移动，而将你的工作完全推翻，造成不必要的损失。
4.定位孔的添加
我们的印制板往往需要加一些安装定位孔，但是对于PowerPCB来说，这就属于与原理图不一样的器件摆放，需要在ECO方式下进行。但如果在最后的检查中，软件因此而给出我们许多的错误，就不大方便了。这种情况可以将定位孔器件设为非ECO注册的即可。
在编辑器件窗口下，选中“编辑电气特性”按钮，在该窗口中，选中“普通”项，不选中“ECO注册”项。这样在检查时，PowerPCB不会认为这个器件是需要与网表比较的，不会出现不该有的错误。
5.添加新的电源封装
由于我们的国际与美国软件公司的标准不太一致，所以我们尽量配备了国际库供大家使用。但是电源和地的新符号，必须在软件自带的库中添加，否则它不会认为你建的符号是电源。
所以当我们要建一个符合国标的电源符号时，需要先打开现有的电源符号组，选择“编辑电气连接”按钮，点按“添加”按钮，输入你新建的符号的名字等信息。然后，再选中“编辑门封装”按钮，选中你刚刚建立的符号名，绘制出你需要的形状，退出绘图状态，保存。这个新的符号就可以在原理图中调出了。
6.空脚的设置
我们用的器件中，有的管脚本身就是空脚，标志为NC。当我们建库的时候，就要注意，否则标志为NC的管脚会连在一起。这是由于你在建库时将NC管脚建在了“SINGAL_PINS”中，而PowerPCB认为“SINGAL_PINS”中的管脚是隐含的缺省管脚，是有用的管脚，如VCC和GND。所以，如果的NC管脚，必须将它们从“SINGAL_PINS”中删除掉，或者说，你根本无需理睬它，不用作任何特殊的定义。
7.三极管的管脚对照
三极管的封装变化很多，当自己建三极管的库时，我们往往会发现原理图的网表传到PCB中后，与自己希望的连接不一致。这个问题主要还是出在建库上。
由于三极管的管脚往往用E，B，C来标志，所以在创建自己的三极管库时，要在“编辑电气连接”窗口中选中“包括文字数字管脚”复选框，这时，“文字数字管脚”标签被点亮，进入该标签，将三极管的相应管脚改为字母。这样，与PCB封装对应连线时会感到比较便于识别。
8.表面贴器件的预处理
现在，由于小型化的需求，表面贴器件得到越来越多的应用。在布图过程中，表面贴器件的处理很重要，尤其是在布多层板的时候。因为，表面贴器件只在一层上有电气连接，不象双列直插器件在板子上的放置是通孔，所以，当别的层需要与表面器件相连时就要从表面贴器件的管脚上拉出一条短线，打孔，再与其它器件连接，这就是所谓的扇入（FAN-IN），扇出（FAN-OUT）操作。
如果需要的话，我们应该首先对表面贴器件进行扇入，扇出操作，然后再进行布线，这是因为如果我们只是在自动布线的设置文件中选择了要作扇入，扇出操作，软件会在布线的过程中进行这项操作，这时，拉出的线就会曲曲折折，而且比较长。所以，我们可以在布局完成后，先进入自动布线器，在设置文件中只选择扇入，扇出操作，不选择其它布线选项，这样从表面贴器件拉出来的线比较短，也比较整齐。
9.将板图加入AUTOCAD
有时我们需要将印制板图加入到结构图中，这时可以通过转换工具将PCB文件转换成AUTOCAD能够识别的格式。在PCB绘图框中，选中“文件”菜单中的“输出”菜单项，在弹出的文件输出窗口中将保存类型设为DXF文件，再保存。你就可以AUTOCAD中打开个这图了。
当然，PADS中有自动标注功能，可以对画好的印制板进行尺寸标注，自动显示出板框或定位孔的位置。要注意的是，标注结果在Drill-Drawing层要想在其它的输出图上加上标注，需要在输出时，特别加上这一层才行。
10. PowerPCB与ViewDraw的接口
用ViewDraw的原理图，可以产生PowerPCB的表，而PowerPCB读入网表后，一样可以进行自动布线等功能，而且，PowerPCB中有链接工具，可以与VIEWDRAW的原理图动态链接、修改，保持电气连接的一致性。
但是，由于软件修改升级的版本的差别，有时两个软件对器件名称的定义不一致，会造成网表传输错误。要避免这种错误的发生，最好专门建一个存放ViewDraw与PowerPCB对应器件的库，当然这只是针对于一部分不匹配的器件来说的。可以用PowerPCB中的拷贝功能，很方便地将已存在的PowerPCB中的其它库里的元件封装拷贝到这个库中，存成与VIEWDRAW中相对应的名字。
11.生成光绘文件
以前，我们做印制板时都是将印制板图拷在软盘上，直接给制版厂。这种做法保密性差，而且很烦琐，需要给制版厂另写很详细的说明文件。现在，我们用PowerPCB直接生产光绘文件给厂家就可以了。从光绘文件的名字上就可以看出这是第几层的走线，是丝印还是阻焊，十分方便，又安全。
转光绘文件步骤：
A．在PowerPCB的CAM输出窗口的DEVICE SETUP中将APERTURE改为999。
B．转走线层时，将文档类型选为ROUTING，然后在LAYER中选择板框和你需要放在这一层上的东西。不注意的是，转走线时要将LINE,TEXT去掉（除非你要在线路上做铜字）。
C．转阻焊时，将文档类型选为SOLD_MASK，在顶层阻焊中要将过孔选中。
D．转丝印时，将文档类型选为SILK SCREEN，其余参照步骤B和C。
E．转钻孔数据时，将文档类型选为NC DRILL，直接转换。
注意，转光绘文件时要先预览一下，预览中的图形就是你要的光绘输出的图形，所以要看仔细，以防出错。
有了对印制板设计的经验，如PowerPCB的强大功能，画复杂印制板已不是令人烦心的事情了。值得高兴的是，我们现在已经有了将TANGO的PCB转换成PowerPCB的工具，熟悉TANGO的广大科技人员可以更加方便的加入到PowerPCB绘图的行列中来，更加方便快捷地绘制出满意的印制板

第三篇 PCB互连设计过程中最大程度降低RF效应的基本方法

电路板系统的互连包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器件之间的三类互连。在RF设计中，互连点处的电磁特性是工程设计面临的主要问题之一，本文介绍上述三类互连设计的各种技巧，内容涉及器件安装方法、布线的隔离以及减少引线电感的措施等等。

目前有迹象表明，印刷电路板设计的频率越来越高。随着数据速率的不断增长，数据传送所要求的带宽也促使信号频率上限达到1GHz，甚至更高。这种高频信号技术虽然远远超出毫米波技术范围(30GHz)，但的确也涉及RF和低端微波技术。
RF工程设计方法必须能够处理在较高频段处通常会产生的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰(干扰及总噪声)，并且会损害系统性能。回损主要是由阻抗失配造成，对信号产生的影响如加性噪声和干扰产生的影响一样。
高回损有两种负面效应：1. 信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收机更加难以将噪声和信号区分开来；2. 任何反射信号基本上都会使信号质量降低，因为输入信号的形状出现了变化。
尽管由于数字系统只处理1和0信号并具有非常好的容错性，但是高速脉冲上升时产生的谐波会导致频率越高信号越弱。尽管前向纠错技术可以消除一些负面效应，但是系统的部分带宽用于传输冗余数据，从而导致系统性能的降低。一个较好的解决方案是让RF效应有助于而非有损于信号的完整性。建议数字系统最高频率处(通常是较差数据点)的回损总值为-25dB，相当于VSWR为1.1。
PCB设计的目标是更小、更快和成本更低。对于RF PCB而言，高速信号有时会限制PCB设计的小型化。目前，解决串扰问题的主要方法是进行接地层管理，在布线之间进行间隔和降低引线电感(stud capacitance)。降低回损的主要方法是进行阻抗匹配。此方法包括对绝缘材料的有效管理以及对有源信号线和地线进行隔离，尤其在状态发生跳变的信号线和地之间更要进行间隔。
由于互连点是电路链上最为薄弱的环节，在RF设计中，互连点处的电磁性质是工程设计面临的主要问题，要考察每个互连点并解决存在的问题。电路板系统的互连包括芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部装置之间信号输入/输出等三类互连。

一、芯片到PCB板间的互连
Pentium IV以及包含大量输入/输出互连点的高速芯片已经面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且处理速率已经能够达到1GHz。在最近GHz互连研讨会(www.az.ww .com)上，最令人激动之处在于：处理I/O数量和频率不断增长问题的方法已经广为人知。芯片与PCB互连的最主要问题是互连密度太高会导致PCB材料的基本结构成为限制互连密度增长的因素。会议上提出了一个创新的解决方案，即采用芯片内部的本地无线发射器将数据传送到邻近的电路板上。
无论此方案是否有效，与会人员都非常清楚：就高频应用而言，IC设计技术已远远领先于PCB设计技术。

二、PCB板内互连
进行高频PCB设计的技巧和方法如下：
1. 传输线拐角要采用45°角，以降低回损(图1)；
2. 要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效管理。
3. 要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范。要考虑规定线宽总误差为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切(undercut)和横断面进行管理并指定布线侧壁电镀条件。对布线(导线)几何形状和涂层表面进行总体管理，对解决与微波频率相关的趋肤效应问题及实现这些规范相当重要。
4. 突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高频环境下，最好使用表面安装组件。
5. 对信号过孔而言，要避免在敏感板上使用过孔加工(pth)工艺，因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。如一个20层板上的一个过孔用于连接1至3层时，引线电感可影响4到19层。
6. 要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止3维电磁场对电路板的影响。
7. 要选择非电解镀镍或浸镀金工艺，不要采用HASL法进行电镀。这种电镀表面能为高频电流提供更好的趋肤效应(图2)。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于减少环境污染。
8. 阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是，由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性，整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝(solder dam)来作阻焊层。
如果你不熟悉这些方法，可向曾从事过军用微波电路板设计的经验丰富的设计工程师咨询。你还可同他们讨论一下你所能承受的价格范围。例如，采用背面覆铜共面(copper-backed coplanar)微带设计比带状线设计更为经济，你可就此同他们进行讨论以便得到更好的建议。优秀的工程师可能不习惯考虑成本问题，但是其建议也是相当有帮助的。现在要尽量对那些不熟悉RF效应、缺乏处理RF效应经验的年轻工程师进行培养，这将会是一项长期工作。
此外，还可以采用其他解决方案，如改进计算机型，使之具备RF效应处理能力。

三、PCB与外部装置互连
现在可以认为我们解决了板上以及各个分立组件互连上的所有信号管理问题。那么怎么解决从电路板到连接远端器件导线的信号输入/输出问题呢？同轴电缆技术的创新者Trompeter Electronics公司正致力于解决这个问题，并已经取得一些重要进展(图3)。 另外，看一下图4中给出的电磁场。这种情况下，我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中，地线层是环形交织的，并且间隔均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边缘效应，需在设计时了解、预测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。
电路板内阻抗问题的管理并不是一个可以忽略的设计问题。阻抗从电路板表层开始，然后通过一个焊点到接头，最后终结于同轴电缆处。由于阻抗随频率变化，频率越高，阻抗管理越难。在宽带上采用更高频率来传输信号的问题看来是设计中面临的主要问题。

本文总结
PCB平台技术需要不断改进以达到集成电路设计人员的要求。PCB设计中高频信号的管理以及PCB电路板上信号输入/输出的管理都需要不断的改进。无论以后会发生什么令人激动的创新，我都认为带宽将会越来越高，而采用高频信号技术就是实现这种带宽不断增长的前提。

高速PCB设计指南之六  
Posted: 2006-2-27 17:56:47  
第一篇 混合信号电路板的设计准则

模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压。数字电路的工作依赖在接收端根据预先定义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测，它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”。在数字电路的高电平和低电平之间，存在“灰色”区域，在此区域数字电路有时表现出模拟效应，例如当从低电平向高电平(状态)跳变时，如果数字信号跳变的速度足够快，则将产生过冲和回铃反射现象。
对于现代板极设计来说，混合信号PCB的概念比较模糊，这是因为即使在纯粹的“数字”器件中，仍然存在模拟电路和模拟效应。因此，在设计初期，为了可靠实现严格的时序分配，必须对模拟效应进行仿真。实际上，除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可靠性之外，大量生产的低成本/高性能消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真。
现代混合信号PCB设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多，比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS逻辑，每种逻辑电路的逻辑门限和电压摆幅都不同，但是，这些不同逻辑门限和电压摆幅的电路必须共同设计在一块PCB上。在此，通过透彻分析高密度、高性能、混合信号PCB的布局和布线设计，你可以掌握成功策略和技术。

一、混合信号电路布线基础
当数字和模拟电路在同一块板卡上共享相同的元件时，电路的布局及布线必须讲究方法。图1所示的矩阵对混合信号PCB的设计规划有帮助。只有揭示数字和模拟电路的特性，才能在实际布局和布线中达到要求的PCB设计目标。
图1：模拟和数字电路：混合信号设计的两个方面 　
在混合信号PCB设计中，对电源走线有特别的要求并且要求模拟噪声和数字电路噪声相互隔离以避免噪声耦合，这样一来布局和布线的复杂性就增加了。对电源传输线的特殊需求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求，使混合信号PCB的布局和布线的复杂性进一步增加。
如果将A/D转换器中模拟放大器的电源和A/D转换器的数字电源接在一起，则很有可能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。或许，由于输入/输出连接器位置的缘故，布局方案必须把数字和模拟电路的布线混合在一起。
在布局和布线之前，工程师要弄清楚布局和布线方案的基本弱点。即使存在虚假判断，大部分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。

二、现代混合信号PCB的布局和布线
下面将通过OC48接口卡的设计来阐述混合信号PCB 布局和布线的技术。OC48代表光载波标准48，基本上面向2.5Gb串行光通讯，它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的一种。OC48接口卡包含若干典型混合信号PCB的布局和布线问题，其布局和布线过程将指明解决混合信号PCB布局方案的顺序和步骤。
图2：OC48接口卡的逻辑 　
如图2所示，OC48卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信号输入或输出数字信号处理器，DSP将这些模拟信号转换为数字逻辑电平，从而可与微处理器、可编程门阵列以及在OC48卡上的DSP和微处理器的系统接口电路相连接。独立的锁相环、电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。
其中，微处理器是一个多电源器件，主电源为2V，3.3V的I/O信号电源由板上其他数字器件共享。独立数字时钟源为OC48 I/O、微处理器和系统I/O提供时钟。
经过检查不同功能电路块的布局和布线要求，初步建议采用12层板，如图3所示。微带和带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之间设置接地层，将把敏感的模拟参考源、CPU核和PLL滤波器电源的布线与在第一层的微处理器和DSP器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的，与OC48卡上为共享3.3V电源层所做的一样。这样将降低电源和地之间的阻抗，从而减少电源信号上的噪声。
要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线，否则，电源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。
要根据数字信号布线的需要，仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口(split)，特别是在混合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传输线回路。这些都会造成信号质量、时序和EMI问题。
有时增加若干接地层，或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层，就可以取消开口并避免出现上述问题，在OC48接口卡上就采用了多个接地层。保持开口层和布线层位置的层叠对称可以避免卡变形并简化制作过程。由于1盎司覆铜板耐大电流的能力强，3.3V电源层和对应的接地层要采用1盎司覆铜板，其它层可以采用0.5盎司覆铜板，这样，可以降低暂态高电流或尖峰期间引起的电压波动。
如果你从接地层往上设计一个复杂的系统，应采用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撑布线层及接地隔离层。卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布线特征尺寸调整，以便使钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商提供的金属化孔的宽高比。
如果要用最少的布线层数设计一个低成本、高产量的商业产品，则在布局或布线之前，要仔细考虑混合信号PCB上所有特殊电源的布线细节。在开始布局和布线之前，要让目标制造商复查初步的分层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗(带容差)和最小的过孔焊盘和孔的尺寸来分层，制造商应该书面提供分层建议。
建议中要包含所有受控阻抗带状线和微带线的配置实例。要将你对阻抗的预测与制造商对阻抗的结合起来考虑，然后，利用这些阻抗预测可以验证用于开发CAD布线规则的仿真工具中的信号布线特性。

三、OC48卡的布局
在光收发器和DSP之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样，所有特殊电源和参考电压电路也使该卡的模拟和数字电源传输电路之间产生大量的耦合。有时，受机壳形状的限制，不得不设计高密度板卡。由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分元件尺寸较高，使收发器在卡中的位置很大程度上被固定死。系统I/O连接器位置和信号分配也是固定的。这是布局之前必须完成的基础工作(见图4)。
与大多数成功的高密度模拟布局和布线方案一样，布局要满足布线的要求，布局和布线的要求必须互相兼顾。对一块混合信号PCB的模拟部分和2V工作电压的本地CPU内核，不推荐采用“先布局后布线”的方法。对OC48卡来说，DSP模拟电路部分包含有模拟参考电压和模拟电源旁路电容的部分应首先互动布线。完成布线后，具有模拟元件和布线的整个DSP要放到距离光收发器足够近的地方，充分保证高速模拟差分信号到DSP的布线长度最短、弯曲和过孔最少。差分布局和布线的对称性将减少共模噪声的影响。但是，在布线之前很难预测布局的最佳方案(见图5)。
要向芯片分销商咨询PCB排板的设计指南。在按照指南设计之前，要与分销商的应用工程师充分交流。许多芯片分销商对提供高质量的布板建议有严格的时间限制。有时，他们提供的解决方案对于使用该器件的“一级客户”是可行的。在信号完整性(SI)设计领域，新器件的信号完整性设计特别重要。根据分销商的基本指南并与封装中每条电源和接地引脚的特定要求相结合，就可以开始对集成了DSP和微处理器的OC48卡布局布线。
高频模拟部分的位置和布线确定后，就可以按照框图中所示的分组方法放置其余的数字电路。要注意仔细设计下列电路：对模拟信号灵敏度高的CPU中PLL电源滤波电路的位置；本地CPU内核电压调整器；用于“数字”微处理器的参考电压电路。
数字布线的电气和制造准则规范此时才可以恰当地应用到设计之中。前述对高速数字总线和时钟信号的信号完整性的设计，揭示出一些对处理器总线、平衡Ts及某些时钟信号布线的时滞匹配的特殊布线拓扑要求。但是你或许不知道，也有人提出更新的建议，即增加若干端接电阻。
在解决问题的过程中，布板阶段做一些调整是当然的事。但是，在开始布线之前，很重要的一步是按照布局方案验证数字部分的时序。此时此刻，对板卡进行完整DFM/DFT布局复查将有助于确保该卡满足客户的需要。

四、OC48卡的数字布线
对于数字器件电源线和混合信号DSP的数字部分，数字布线要从SMD出路图(escape patterns)开始。要采用装配工艺允许的最短和最宽的印制线。对于高频器件来说，电源的印制线相当于小电感，它将恶化电源噪声，使模拟和数字电路之间产生不期望的耦合。电源印制线越长，电感越大。
采用数字旁路电容可以得到最佳的布局和布线方案。简言之，根据需要微调旁路电容的位置，使之安装方便并分布在数字部件和混合信号器件数字部分的周围。要采用同样的“最短和最宽的走线”方法对旁路电容出路图进行布线。
当电源分支要穿过连续的平面时(如OC48接口卡上的3.3V电源层)，则电源引脚和旁路电容本身不必共享相同的出口图，就可以得到最低的电感和ESR旁路。在OC48接口卡这样的混合信号PCB上，要特别注意电源分支的布线。记住，要在整个卡上以矩阵排列的形式放置额外的旁路电容，即使在无源器件附近也要放置 (见图6)。
电源出路图确定之后，就可以开始自动布线。OC48卡上的ATE测试触点要在逻辑设计时定义。要确保ATE接触到100%的节点。为了以0.070英寸的最小ATE测试探头实现ATE测试，必须保留引出过孔(breakout via)的位置，以保证电源层不会被过孔的反面焊盘(antipads)交叉所隔断。
如果要采用一个电源和接地层开口(split)方案，应在平行于开口的邻近布线层上选择偏移层(layer bias)。在邻近层上按该开口区域的周长定义禁止布线区，防止布线进入。如果布线必须穿过开口区域到另一层，应确保与布线相邻的另一层为连续的接地层。这将减少反射路径。让旁路电容跨过开口的电源层对一些数字信号的布板有好处，但不推荐在数字和模拟电源层之间进行桥接，这是因为噪声会通过旁路电容互相耦合。
若干最新的自动布线应用程序能够对高密度多层数字电路进行布线。初步布线阶段要在SMD出口中使用0.050英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用的封装类型，后续布线阶段要容许过孔的位置互相靠得比较近，这样所有工具都能实现最高的布通率和最低的过孔数。由于OC48处理器总线采用一种改进的星形拓扑结构，在自动布线时其优先级最高(见图7)。
总结
OC48卡布板完成之后要进行信号完整性核查和时序仿真。仿真证明布线指导达到预期的要求并改善了第二层总线的时序指标。最后进行设计规则检查、最终制造的复查、光罩和复查并签发给制造者，则布板任务才正式结束

第二篇 分区设计
摘要：混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电路的性能。
如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。
有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。
如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感，如果流过大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰。最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时，将形成一个非常大的电流环路。另外，模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。
了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。
采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。
要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无论这个临近层是电源层还是地线层。
在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。
只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。
PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。
在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。
如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。
如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。
最好的办法是开始时就用统一地。如图4所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。
如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。
在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。
在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。

混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点：
1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。
2.合适的元器件布局。
3.A/D转换器跨分区放置。
4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。
5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。
6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。
7.实现模拟和数字电源分割。
8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。
9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。
10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。
11.采用正确的布线规则。
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第六篇 RF产品设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧

一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注RF电路设计技巧。RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分，如想一次获得成功，仔细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。
射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种“黑色艺术”，但这个观点只有部分正确，RF电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折衷处理。
当然，有许多重要的RF设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和驻波，不过，本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。
今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起，这对RF电路板设计来说很不利。现在业界竞争非常激烈，人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模拟、数字和RF电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域的空间非常小，而且考虑到成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议的是，多用途芯片可将多种功能集成在一个非常小的裸片上，而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密，因此RF、IF、模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干的。电源分配可能对设计者来说是一个噩梦，为了延长电池寿命，电路的不同部分是根据需要而分时工作的，并由软件来控制转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供5到6种工作电源。

一、RF布局概念
在设计RF布局时，有几个总的原则必须优先加以满足：
尽可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单地说，就是让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路。如果你的PCB板上有很多物理空间，那么你可以很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB空间较小，因而这通常是不可能的。你可以把他们放在PCB板的两面，或者让它们交替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括RF缓冲器和压控制振荡器(VCO)。
确保PCB板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜皮越多越好。稍后，我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则，以及如何避免由此而可能引起的问题。
芯片和电源去耦同样也极为重要，稍后将讨论实现这个原则的几种方法。
RF输出通常需要远离RF输入，稍后我们将进行详细讨论。
敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和RF信号。

二、如何进行分区？
设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等问题；电气分区可以继续分解为电源分配、RF走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。
首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀RF设计的关键，最有效的技术是首先固定位于RF路径上的元器件，并调整其朝向以将RF路径的长度减到最小，使输入远离输出，并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。
最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层，并尽可能将RF线走在表层上。将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感，而且还可以减少主地上的虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。
在物理空间上，像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个RF区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器/混频器总是有多个RF/IF信号相互干扰，因此必须小心地将这一影响减到最小。RF与IF走线应尽可能走十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块地。正确的RF路径对整块PCB板的性能而言非常重要，这也就是为什么元器件布局通常在蜂窝电话PCB板设计中占大部分时间的原因。
在蜂窝电话PCB板上，通常可以将低噪音放大器电路放在PCB板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到RF端和基带处理器端的天线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把RF能量从板的一面传递到另一面，常用的技术是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域来将直通过孔的不利影响减到最小。
有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离，在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频能量屏蔽在RF区域内，但金属屏蔽罩也存在问题，例如：自身成本和装配成本都很贵；
外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊在地上，必须与元器件保持一个适当距离，因此需要占用宝贵的PCB板空间。
尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要，进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好走线层的下面一层PCB是地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地缺口处的布线层上走出去，不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上的地可通过多个过孔连在一起。
尽管有以上的问题，但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路的唯一解决方案。
此外，恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要。许多集成了线性线路的RF芯片对电源的噪音非常敏感，通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的电源噪音(见图1)。
最小电容值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感，C4的值就是据此选择的。C3和C2的值由于其自身引脚电感的关系而相对较大一些，从而RF去耦效果要差一些，不过它们较适合于滤除较低频率的噪声信号。电感L1使RF信号无法从电源线耦合到芯片中。记住：所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射RF信号的天线，另外将感应的射频信号与关键线路隔离开也很必要。
这些去耦元件的物理位置通常也很关键，图2表示了一种典型的布局方法。这几个重要元件的布局原则是：C4要尽可能靠近IC引脚并接地，C3必须最靠近C4，C2必须最靠近C3，而且IC引脚与C4的连接走线要尽可能短，这几个元件的接地端(尤其是C4)通常应当通过下一地层与芯片的接地引脚相连。将元件与地层相连的过孔应该尽可能靠近PCB板上元件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲孔以将连接线电感减到最小，电感应该靠近C1。
一块集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出，因此需要一个上拉电感来提供一个高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源，同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去耦。有些芯片需要多个电源才能工作，因此你可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进行去耦处理，如果该芯片周围没有足够空间的话，那么可能会遇到一些麻烦。
记住电感极少并行靠在一起，因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号，因此它们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度，或者成直角排列以将其互感减到最小。
电气分区原则大体上与物理分区相同，但还包含一些其它因素。现代蜂窝电话的某些部分采用不同工作电压，并借助软件对其进行控制，以延长电池工作寿命。这意味着蜂窝电话需要运行多种电源，而这给隔离带来了更多的问题。电源通常从连接器引入，并立即进行去耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声，然后再经过一组开关或稳压器之后对其进行分配。
蜂窝电话里大多数电路的直流电流都相当小，因此走线宽度通常不是问题，不过，必须为高功率放大器的电源单独走一条尽可能宽的大电流线，以将传输压降减到最低。为了避免太多电流损耗，需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。此外，如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪声将会辐射到整块板上，并带来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当关键，并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。
在大多数情况下，同样关键的是确保RF输出远离RF输入。这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏情况下，如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端，那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下，它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作。实际上，它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调信号添加到RF信号上。
如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端，这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出得到良好的隔离，首先必须在滤波器周围布一圈地，其次滤波器下层区域也要布一块地，并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚也是个好方法。此外，整块板上各个地方的接地都要十分小心，否则你可能会在不知不觉之中引入一条你不希望发生的耦合通道。图3详细说明了这一接地办法。
有时可以选择走单端或平衡RF信号线，有关交叉干扰和EMC/EMI的原则在这里同样适用。平衡RF信号线如果走线正确的话，可以减少噪声和交叉干扰，但是它们的阻抗通常比较高，而且要保持一个合理的线宽以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗，实际布线可能会有一些困难。
缓冲器可以用来提高隔离效果，因为它可把同一个信号分为两个部分，并用于驱动不同的电路，特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器。当混频器在RF频率处到达共模隔离状态时，它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化，从而电路之间不会相互干扰。
缓冲器对设计的帮助很大，它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面，从而使高功率输出走线非常短，由于缓冲器的输入信号电平比较低，因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。
还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意，但它们超出了本文探讨的范围，因此本文仅略作论述，不再进行详细说明。

压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率，这一特性被用于高速频道切换，但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化，而这就给RF信号增加了噪声。总的来说，在这一级以后你再也没有办法从RF输出信号中将噪声去掉。那么困难在哪里呢？首先，控制线的期望频宽范围可能从DC直到2MHz，而通过滤波来去掉这么宽频带的噪声几乎是不可能的；其次，VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分，它在很多地方都有可能引入噪声，因此必须非常小心处理VCO控制线。
要确保RF走线下层的地是实心的，而且所有的元器件都牢固地连到主地上，并与其它可能带来噪声的走线隔离开来。此外，要确保VCO的电源已得到充分去耦，由于VCO的RF输出往往是一个相对较高的电平，VCO输出信号很容易干扰其它电路，因此必须对VCO加以特别注意。事实上，VCO往往布放在RF区域的末端，有时它还需要一个金属屏蔽罩。
谐振电路(一个用于发射机，另一个用于接收机)与VCO有关，但也有它自己的特点。简单地讲，谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路，它有助于设置VCO工作频率和将语音或数据调制到RF信号上。
所有VCO的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的RF频率下，因此谐振电路通常对噪声非常敏感。信号通常排列在芯片的相邻脚上，但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合才能工作，这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近，并连回到一个对噪声很敏感的控制环路上。要做到这点是不容易的。
自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方，不管是发射还是接收电路都会有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地滤掉噪声，不过由于蜂窝电话具备处理发射和接收信号强度快速变化的能力，因此要求AGC电路有一个相当宽的带宽，而这使某些关键电路上的AGC放大器很容易引入噪声。
设计AGC线路必须遵守良好的模拟电路设计技术，而这跟很短的运放输入引脚和很短的反馈路径有关，这两处都必须远离RF、IF或高速数字信号走线。同样，良好的接地也必不可少，而且芯片的电源必须得到良好的去耦。如果必须要在输入或输出端走一根长线，那么最好是在输出端，通常输出端的阻抗要低得多，而且也不容易感应噪声。通常信号电平越高，就越容易把噪声引入到其它电路。
在所有PCB设计中，尽可能将数字电路远离模拟电路是一条总的原则，它同样也适用于RF PCB设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的，问题在于如果没有预见和事先仔细的计划，每次你能在这方面所做的事都很少。因此在设计早期阶段，仔细的计划、考虑周全的元器件布局和彻底的布局评估都非常重要，由于疏忽而引起的设计更改将可能导致一个即将完成的设计又必须推倒重来。这一因疏忽而导致的严重后果，无论如何对你的个人事业发展来说不是一件好事。
同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号，所有的RF走线、焊盘和元件周围应尽可能多填接地铜皮，并尽可能与主地相连。类似面包板的微型过孔构造板在RF线路开发阶段很有用，如果你选用了构造板，那么你毋须花费任何开销就可随意使用很多过孔，否则在普通PCB板上钻孔将会增加开发成本，而这在大批量生产时会增加成本。
如果RF走线必须穿过信号线，那么尽量在它们之间沿着RF走线布一层与主地相连的地。如果不可能的话，一定要保证它们是十字交叉的，这可将容性耦合减到最小，同时尽可能在每根RF走线周围多布一些地，并把它们连到主地。此外，将并行RF走线之间的距离减到最小可以将感性耦合减到最小。
一个实心的整块接地面直接放在表层下第一层时，隔离效果最好，尽管小心一点设计时其它的做法也管用。我曾试过把接地面分成几块来隔离模拟、数字和RF线路，但我从未对结果感到满意过，因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的地，这不是一件好事。
在PCB板的每一层，应布上尽可能多的地，并把它们连到主地面。尽可能把走线靠在一起以增加内部信号层和电源分配层的地块数量，并适当调整走线以便你能将地连接过孔布置到表层上的隔离地块。应当避免在PCB各层上生成游离地，因为它们会像一个小天线那样拾取或注入噪音。在大多数情况下，如果你不能把它们连到主地，那么你最好把它们去掉。

本文小结
在拿到一张工程更改单(ECO)时，要冷静，不要轻易消除你所有辛辛苦苦才完成的工作。一张ECO很轻易使你的工作陷入混乱，不管需要做的修改是多么的微小。当你必须在某个时间段里完成一份工作时，你很容易就会忘记一些关键的东西，更不用说要作出更改了。
不论是不是“黑色艺术”，遵守一些基本的RF设计规则和留意一些优秀的设计实例将可帮助你完成RF设计工作。成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节才有可能实现，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的工作进展进行全面持续地评估。