從實(shí)踐角度探討高速PCB的布線問題

布線和屏蔽

PCB上存在各種各樣的模擬和數(shù)字信號(hào)，包括從高到低的電壓或電流，從DC到GHz頻率范圍。保證這些信號(hào)不相互干擾是非常困難的。

回 顧前面“誰都別信”部分的建議，最關(guān)鍵的是預(yù)先思考并且為了如何處理PCB上的信號(hào)制定出一個(gè)計(jì)劃。重要的是注意哪些信號(hào)是敏感信號(hào)并且確定必須采取何種 措施來保證信號(hào)的完整性。接地平面為電信號(hào)提供一個(gè)公共參考點(diǎn)，也可以用于屏蔽。如果需要進(jìn)行信號(hào)隔離，首先應(yīng)該在信號(hào)印制線之間留出物理距離。下面是一 些值得借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：

減小同一PCB中長(zhǎng)并聯(lián)線的長(zhǎng)度和信號(hào)印制線間的接近程度可以降低電感耦合。

減小相鄰層的長(zhǎng)印制線長(zhǎng)度可以防止電容耦合。

需要高隔離度的信號(hào)印制線應(yīng)該走不同的層而且——如果它們無完全隔離的話——應(yīng)該走正交印制線，而且將接地平面置于它們之間。正交布線可以將電容耦合減至最小，而且地線會(huì)形成一種電屏蔽。在構(gòu)成控制阻抗印制線時(shí)可以采用這種方法。

高頻(RF)信號(hào)通常在控制阻抗印制線上流動(dòng)。就是說，該印制線保持一種特征阻抗，例如50Ω(RF應(yīng)用中的典型值)。兩種最常見的控制阻抗印制線，微帶線4和帶狀線5都可以達(dá)到類似的效果，但是實(shí)現(xiàn)的方法不同。

微帶控制阻抗印制線，如圖13所示，可以用在PCB的任意一面;它直接采用其下面的接地平面作為其參考平面。

圖13. 微帶傳輸線。

公式(6)可以用于計(jì)算一塊FR4板的特征阻抗。

(6)

H表示從接地平面到信號(hào)印制線之間的距離，W表示印制線寬度，T表示印制線厚度;全部尺寸均以密耳(mils)(10-3英寸)為單位。εr表示PCB材料的介電常數(shù)。

帶狀控制阻抗印制線(參見圖14)采用了兩層接地平面，信號(hào)印制線夾在其中。這種方法使用了較多的印制線，需要的PCB層數(shù)更多，對(duì)電介質(zhì)厚度變化敏感，而且成本更高——所以通常只用于要求嚴(yán)格的應(yīng)用中。

圖14. 帶狀控制阻抗印制線。

用于帶狀線的特征阻抗計(jì)算公式如公式(7)所示。

(7)

保 護(hù)環(huán)，或者說“隔離環(huán)”，是運(yùn)算放大器常用的另一種屏蔽方法，它用于防止寄生電流進(jìn)入敏感結(jié)點(diǎn)。其基本原理很簡(jiǎn)單——用一條保護(hù)導(dǎo)線將敏感結(jié)點(diǎn)完全包圍起 來，導(dǎo)線保持或者迫使它保持(低阻抗)與敏感結(jié)點(diǎn)相同的電勢(shì)，因此使吸收的寄生電流遠(yuǎn)離了敏感結(jié)點(diǎn)。圖15(a)示出了用于運(yùn)算放大器反相配置和同相配置 中的保護(hù)環(huán)的原理圖。圖15(b)示出用于SOT-23-5封裝中兩種保護(hù)環(huán)的典型布線方法。

圖15. 保護(hù)環(huán)。(a)反相和同相工作。(b)SOT-23-5封裝。

還有很多其它的屏蔽和布線方法。欲獲得有關(guān)這個(gè)問題和上述其它題目的更多信息，建議讀者閱讀下列參考文獻(xiàn)。

結(jié)論

高水平的PCB布線對(duì)成功的運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)是很重要的，尤其是對(duì)高速電路。一個(gè)好原理圖是好的布線的基礎(chǔ);電路設(shè)計(jì)工程師和布線設(shè)計(jì)工程師之間的緊密配 合是根本，尤其是關(guān)于器件和接線的位置問題。需要考慮的問題包括旁路電源，減小寄生效應(yīng)，采用接地平面，運(yùn)算放大器封裝的影響，以及布線和屏蔽的方法。