高速PCB电路板设计的注意事项

叠层数问题

　　一个好的叠层结构是对大多数信号整体性问题和EMC问题的最好防范措施，同时也最易被人们误解。这里有几种因素在起作用，能解决一个问题的好方法可能会导致其它问题的恶化。很多系统设计供应商会建议电路板中至少应该有一个连续平面以控制特性阻抗和信号质量，只要成本能承受得起，这是个很好的建议。EMC咨询专家时常建议在外层上放置地线填充(ground fill)或地线层来控制电磁辐射和对电磁干扰的灵敏度，在一定条件下这也是一种好建议。

　　图1：用电容模型分析叠层结构中的信号问题

　　对层数较多的电路板,我们可将这种放置方法重复很多次(图2)。也可以增加额外的电源层和地线层；只要保证在两个电源层之间没有成对的信号层即可
 
高速信号的布线应安排在同一对信号层内；除非遇到因SMT器件的连接而不得不违反这一原则。一种信号的所有走线都应有共同的返回路径(即地线层)。有两种思路和方法来判断什么样的两个层能看成一对：

　　保证在相等距离的位置返回信号完全相等。这就是说,应将信号对称地布线在内部地线层的两侧。这样做的优点是容易控制阻抗和环流；缺点是地线层上有很多过孔，而且有一些无用的层。

　　相邻布线的两个信号层。优点是地线层中的过孔可控制到最少(用埋式过孔)；缺点是对某些关键信号这种方法的有效性下降。
　　我喜欢采用第二种方法。元件驱动和接收信号的接地连接最好能够直接连接到与信号布线层相邻的层面。作为一个简单的布线原则，表层布线宽度按英寸计应小于按毫微妙计的驱动器上升时间的三分之一(例如：高速TTL的布线宽度为1英寸)。

如果是多电源供电，在各个电源金属线之间必须铺设地线层使它们隔开。不能形成电容,以免导致电源之间的AC耦合。

　　上述措施都是为了减少环流和串扰，并增强阻抗控制能力。地线层还会形成一个有效的EMC“屏蔽盒”。 在考虑对特性阻抗的影响的前提下，不用的表层区域都可以做成地线层。

　　特性阻抗

　　一种好的叠层结构就能够作到对阻抗的有效控制，其走线可形成易懂和可预测的传输线结构。现场解决工具能很好地处理这类问题，只要将变量数目控制到最少，就可以得到相当精确的结果。

　　但是，当三个以上的信号层叠在一起时，情况就不一定是这样了，其理由很微妙。目标阻抗值取决于器件的工艺技术。高速CMOS技术一般能达到约70Ω；高速TTL器件一般能达到约80Ω至100Ω。因为阻抗值通常对噪声容限和信号切换有很大的影响，所以进行阻抗选择时需要非常仔细；产品说明书对此应当给出指导。
 
现场解决工具的初始结果可能会遇到两种问题。首先是视野受到限制的问题，现场解决工具只对附近走线的影响做分析，而不考虑影响阻抗的其它层上的非平行走线。现场解决工具在布线前，即分配走线宽度时无法知道细节，但上述成对安排的方法可使这个问题变得最小。

　　值得一提的是不完全电源层(partial power planes)的影响。外层电路板上在布线后经常挤满了接地铜线,这样就有利于抑制EMI和平衡涂敷(balance plating)。如果只对外层采取这样的措施，则本文所推荐的叠层结构对特性阻抗的影响非常微小。

　　大量采用相邻信号层的效果是非常显著的。某些些现场解决工具不能发现铜箔的存在，因为它只能检查印制线和整个层面，所以对阻抗的分析结果是不正确的。当邻近的层上有金属时，它就象一个不太可靠的地线层一样。如果阻抗过低，瞬时电流就会很大,这是一个实际而且敏感的EMI问题。

　　导致阻抗分析工具失败的另一个原因是分布式电容。这些分析工具一般不能反映引脚和过孔的影响(这种影响通常用仿真器来进行分析)。这种影响可能会很大，特别是在背板上。其原因非常简单：

　　特性阻抗通常可用下述公式计算：

√L/C

　　其中，L和C分别是单位长度的电感和电容。

　　如果引脚是均匀排布的，附加的电容将大大影响这个计算结果。公式将变成：

√L/(C+C‘)

　　C‘是单位长度的引脚电容。

　　如果象在背板上那样连接器之间用直线相连，就可用总线路电容以及除了第一和最后一个引脚之外的总引脚电容。这样，有效阻抗就就会降低，甚至可能从80Ω降到8Ω。为了求得有效值，需将原阻抗值除以：

√(1+C‘/C)

　　这种计算对于元件选择是很重要的。

　　延迟

　　模拟时，应该考虑元件和封装的电容(有时还应包括电感)。要注意两个问题。首先,仿真器可能不能正确模拟分布式电容；其次，还要注意不同生产情况对不完全层面和非平行走线的影响。许多现场解决工具都不能分析没有全电源或地线层的叠层分布。然而，如果与信号层相邻的是一个地线层，那么计算出的延迟会相当糟糕，比如电容，会有最大的延迟；如果一个双面板的两层都布有许多地线和VCC铜箔，这种情况就更严重。如果过程不是自动化的话，在一个CAD系统中设置这些东西将会是很繁乱的。

EMC

　　EMC的影响因素很多，其中许多因素通常都没能得到分析，即使得到分析，也往往是在设计完成以后，这就太迟了。下面是一些影响EMC的因素：

　　电源层的槽缝会构成了四分之一波长的天线。对于金属容器上需开安装槽的场合，应采用钻孔方法来代替。

　　感性元件。我曾碰到过一位设计人员，他遵循了所有的设计规则，也作了仿真，但他的电路板仍然有很多辐射信号。原因是：在顶层有两个电感相互平行放置，构成了变压器。

　　由于不完全接地层的影响,内层低阻抗引起外层较大的瞬态电流。
采用防卫设计可以避免这些问题中的大多数。首先应该作出正确的叠层结构和布线方略，这样就有了好的开始。

　　这里没有涉及某些基本问题，比如网络拓扑、信号失真原因和串扰计算方法；只是分析了一些敏感的问题，以帮助读者应用从EDA系统得到的结果。任何分析都要依赖于所采用的模型，分析不到的因素也会对结果产生影响。过于复杂就象太不精确一样，避免过多参量的变化，如印制线宽度等，有助于整齐、一致的设计。

 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，尽量加租电源线宽度，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.地段设计
地线设计的原则是；
(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。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，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2~3mm以上。
(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。
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的但电容。
(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，必须采用附图所示的RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2K，C取2.2~47UF。
(2CMOS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。