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隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步,PCB(印制電路板)的復雜程度、適用范圍有了飛速的發(fā)展。從事高頻PCB的設計者必須具有相應的基礎理論知識,同時(shí)還應具有豐富的高頻PCB的制作經(jīng)驗。也就是說(shuō),無(wú)論是原理圖的繪制,還是PCB的設計,都應當從其所在的高頻工作環(huán)境去考慮,才能夠設計出較為理想的PCB。本文主要從高頻PCB的手動(dòng)布局、布線(xiàn)兩個(gè)方面,基于Protel99SE對在高頻PCB設計中的一些問(wèn)題進(jìn)行研究。 1 布局的設計 Protel99SE 雖然具有自動(dòng)布局的功能,但并不能完全滿(mǎn)足高頻電路的工作需要,往往要憑借設計者的經(jīng)驗,根據具體情況,先采用手工布局的方法優(yōu)化調整部分元器件的位置, 再結合自動(dòng)布局完成PCB的整體設計。布局的合理與否直接影響到產(chǎn)品的壽命、穩定性、EMC(電磁兼容)等,必須從電路板的整體布局、布線(xiàn)的可通性和 PCB的可制造性、機械結構、散熱、EMI(電磁干擾)、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮。 一般先放置與機械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件。同時(shí),要兼顧布線(xiàn)方面的要求,高頻元器件的放置要盡量緊湊,信號線(xiàn)的布線(xiàn)才能盡可能短,從而降低信號線(xiàn)的交叉干擾等。 1.1 與機械尺寸有關(guān)的定位插件的放置 電源插座、開(kāi)關(guān)、PCB之間的接口、指示燈等都是與機械尺寸有關(guān)的定位插件。通常,電源與PCB之間的接口放到PCB的邊緣處,并與PCB邊緣要有 3mm～5mm的間距;指示發(fā)光二極管應根據需要準確地放置;開(kāi)關(guān)和一些微調元器件,如可調電感、可調電阻等應放置在靠近PCB邊緣的位置,以便于調整和連接;需要經(jīng)常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置,以易于更換。 1.2 特殊元器件的放置 大功率管、變壓器、整流管等發(fā)熱器件,在高頻狀態(tài)下工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較多,所以在布局時(shí)應充分考慮通風(fēng)和散熱,將這類(lèi)元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調整管等應裝有散熱器,并要遠離變壓器。電解電容器之類(lèi)怕熱的元件也應遠離發(fā)熱器件,否則電解液會(huì )被烤干,造成其電阻增大,性能變差,影響電路的穩定性。 易發(fā)生故障的元器件,如調整管、電解電容器、繼電器等,在放置時(shí)還要考慮到維修方便。對經(jīng)常需要測量的測試點(diǎn),在布置元器件時(shí)應注意保證測試棒能夠方便地接觸。 由于電源設備內部會(huì )產(chǎn)生50Hz泄漏磁場(chǎng),當它與低頻放大器的某些部分交連時(shí),會(huì )對低頻放大器產(chǎn)生干擾。因此,必須將它們隔離開(kāi)或者進(jìn)行屏蔽處理。放大器各級最好能按原理圖排成直線(xiàn)形式,如此排法的優(yōu)點(diǎn)是各級的接地電流就在本級閉合流動(dòng),不影響其他電路的工作。輸入級與輸出級應當盡可能地遠離,減小它們之間的寄生耦合干擾。 考慮各個(gè)單元功能電路之間的信號傳遞關(guān)系,還應將低頻電路和高頻電路分開(kāi),模擬電路和數字電路分開(kāi)。集成電路應放置在PCB的中央,這樣方便各引腳與其他器件的布線(xiàn)連接。 電感器、變壓器等器件具有磁耦合,彼此之間應采用正交放置,以減小磁耦合。另外,它們都有較強的磁場(chǎng),在其周?chē)鷳羞m當大的空間或進(jìn)行磁屏蔽,以減小對其他電路的影響。 在 PCB的關(guān)鍵部位要配置適當的高頻退耦電容,如在PCB電源的輸入端應接一個(gè)10μF～100μF的電解電容,在集成電路的電源引腳附近都應接一個(gè) 0.01pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當的高頻或低頻扼流圈,以減小高低頻電路之間的影響。這一點(diǎn)在原理圖設計和繪制時(shí)就應給予考慮,否則也將會(huì )影響電路的工作性能。 元器件排列時(shí)的間距要適當,其間距應考慮到它們之間有無(wú)可能被擊穿或打火。 含推挽電路、橋式電路的放大器,布置時(shí)應注意元器件電參數的對稱(chēng)性和結構的對稱(chēng)性,使對稱(chēng)元器件的分布參數盡可能一致。 在對主要元器件完成手動(dòng)布局后,應采用元器件鎖定的方法,使這些元器件不會(huì )在自動(dòng)布局時(shí)移動(dòng)。即執行Editchange命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。 1.3 普通元器件的放置 對于普通的元器件,如電阻、電容等,應從元器件的排列整齊、占用空間大小、布線(xiàn)的可通性和焊接的方便性等幾個(gè)方面考慮,可采用自動(dòng)布局的方式。 2 布線(xiàn)的設計 布線(xiàn)是在合理布局的基礎上實(shí)現高頻PCB設計的總體要求。布線(xiàn)包括自動(dòng)布線(xiàn)和手動(dòng)布線(xiàn)兩種方式。通常,無(wú)論關(guān)鍵信號線(xiàn)的數量有多少,首先對這些信號線(xiàn)進(jìn)行手動(dòng)布線(xiàn),布線(xiàn)完成后對這些信號線(xiàn)布線(xiàn)進(jìn)行仔細檢查,檢查通過(guò)后將其固定,再對其他布線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)布線(xiàn)。即采用手動(dòng)和自動(dòng)布線(xiàn)相結合來(lái)完成PCB的布線(xiàn)。 在高頻PCB的布線(xiàn)過(guò)程中應特別注意以下幾個(gè)方面問(wèn)題。 2.1 布線(xiàn)的走向 電路的布線(xiàn)最好按照信號的流向采用全直線(xiàn),需要轉折時(shí)可用45°折線(xiàn)或圓弧曲線(xiàn)來(lái)完成,這樣可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻信號線(xiàn)的布線(xiàn)應盡可能短。要根據電路的工作頻率,合理地選擇信號線(xiàn)布線(xiàn)的長(cháng)度,這樣可以減少分布參數,降低信號的損耗。制作雙面板時(shí),在相鄰的兩個(gè)層面上布線(xiàn)最好相互垂直、斜交或彎曲相交。避免相互平行,這樣可以減少相互干擾和寄生耦合。 高頻信號線(xiàn)與低頻信號線(xiàn)要盡可能分開(kāi),必要時(shí)采取屏蔽措施,防止相互間干擾。對于接收比較弱的信號輸入端,容易受到外界信號的干擾,可以利用地線(xiàn)做屏蔽將其包圍起來(lái)或做好高頻接插件的屏蔽。同一層面上應該避免平行走線(xiàn),否則會(huì )引入分布參數,對電路產(chǎn)生影響。若無(wú)法避免時(shí)可在兩平行線(xiàn)之間引入一條接地的銅箔,構成隔離線(xiàn)。 在數字電路中,對于差分信號線(xiàn),應成對地走線(xiàn),盡量使它們平行、靠近一些,并且長(cháng)短相差不大。 2.2 布線(xiàn)的形式 在 PCB的布線(xiàn)過(guò)程中,走線(xiàn)的最小寬度由導線(xiàn)與絕緣層基板之間的粘附強度以及流過(guò)導線(xiàn)的電流強度所決定。當銅箔的厚度為0.05mm、寬度為 1mm～1.5mm時(shí),可以通過(guò)2A電流。溫度不會(huì )高于3℃,除一些比較特殊的走線(xiàn)外,同一層面上的其他布線(xiàn)寬度應盡可能一致。在高頻電路中布線(xiàn)的間距將影響分布電容和電感的大小,從而影響信號的損耗、電路的穩定性以及引起信號的干擾等。在高速開(kāi)關(guān)電路中,導線(xiàn)的間距將影響信號的傳輸時(shí)間及波形的質(zhì)量。因此,布線(xiàn)的最小間距應大于或等于0.5mm,只要允許,PCB布線(xiàn)最好采用比較寬的線(xiàn)。 印制導線(xiàn)與PCB的邊緣應留有一定的距離(不小于板厚),這樣不僅便于安裝和進(jìn)行機械加工,而且還提高了絕緣性能。 布線(xiàn)中遇到只有繞大圈才能連接的線(xiàn)路時(shí),要利用飛線(xiàn),即直接用短線(xiàn)連接來(lái)減少長(cháng)距離走線(xiàn)帶來(lái)的干擾。 含有磁敏元件的電路其對周?chē)艌?chǎng)比較敏感,而高頻電路工作時(shí)布線(xiàn)的拐彎處容易輻射電磁波,如果PCB中放置了磁敏元件,則應保證布線(xiàn)拐角與其有一定的距離。 同一層面上的布線(xiàn)不允許有交叉。對于可能交叉的線(xiàn)條,可用“鉆”與“繞”的辦法解決,即讓某引線(xiàn)從其他的電阻、電容、三極管等器件引腳下的空隙處“鉆”過(guò)去,或從可能交叉的某條引線(xiàn)的一端“繞”過(guò)去。在特殊情況下,如果電路很復雜,為了簡(jiǎn)化設計,也允許用導線(xiàn)跨接解決交叉問(wèn)題。 當高頻電路工作頻率較高時(shí),還需要考慮布線(xiàn)的阻抗匹配及天線(xiàn)效應問(wèn)題。 2.3 電源線(xiàn)與地線(xiàn)的布線(xiàn)要求 根據不同工作電流的大小,盡量加大電源線(xiàn)的寬度。高頻PCB應盡量采用大面積地線(xiàn)并布局在PCB的邊緣,可以減少外界信號對電路的干擾;同時(shí),可以使PCB 的接地線(xiàn)與殼體很好地接觸,使PCB的接地電壓更加接近于大地電壓。應根據具體情況選擇接地方式,與低頻電路有所不同,高頻電路的接地線(xiàn)應該采用就近接地或多點(diǎn)接地的方式,接地線(xiàn)短而粗,以盡量減少地阻抗,其允許電流要求能夠達到3倍于工作電流的標準。揚聲器的接地線(xiàn)應接在PCB功放輸出級的接地點(diǎn),切勿任意接地。 在布線(xiàn)過(guò)程中還應該及時(shí)地將一些合理的布線(xiàn)鎖定,以免多次重復布線(xiàn)。即執行EditselectNet命令在預布線(xiàn)的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。 3 焊盤(pán)及敷銅的設計 3.1 焊盤(pán)與孔徑 在保證布線(xiàn)最小間距不違反設計的電氣間距的情況下,焊盤(pán)的設計應較大,以保證足夠的環(huán)寬。一般焊盤(pán)的內孔要比元器件的引線(xiàn)直徑稍微大一點(diǎn),設計過(guò)大,容易在焊接中形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于(d+1.2)mm,其中d為焊盤(pán)內孔徑,對于一些密度比較大的PCB,焊盤(pán)的最小值可以取(d+1.0)mm。焊盤(pán)的形狀通常設置為圓形,但是對于DIP封裝的集成電路的焊盤(pán)最好采用跑道形,這樣可以在有限的空間內增大焊盤(pán)的面積,有利于集成電路的焊接。布線(xiàn)與焊盤(pán)的連接應平滑過(guò)渡,即當布線(xiàn)進(jìn)入圓焊盤(pán)的寬度較圓焊盤(pán)的直徑小時(shí),應采用補淚滴設計。 需要注意的是,焊盤(pán)內孔徑d的大小是不同的,應當根據實(shí)際元器件引線(xiàn)直徑的大小加以考慮,如元件孔、安裝孔和槽孔等。而焊盤(pán)的孔距也要根據實(shí)際元器件的安裝方式進(jìn)行考慮,如電阻、二極管、管狀電容器等元件有 “立式”、“臥式”兩種安裝方式,這兩種方式的孔距是不同的。此外,焊盤(pán)孔距的設計還要考慮元器件之間的最小間隙要求,特別是特殊元器件之間的間隙需要由焊盤(pán)間的孔距來(lái)保證。 在高頻PCB中,還要盡量減少過(guò)孔的數量,這樣既可減少分布電容,又能增加PCB的機械強度�？傊�,在高頻PCB的設計中,焊盤(pán)及其形狀、孔徑與孔距的設計既要考慮其特殊性,又要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。采用規范化的設計,既可降低產(chǎn)品成本,又可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)的效率。 3.2 敷銅 敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力,同時(shí)對于PCB散熱和PCB的強度有很大好處,敷銅接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面積條狀銅箔,因為在PCB的使用中時(shí)間太長(cháng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大熱量,此時(shí)條狀銅箔容易發(fā)生膨脹和脫落現象,因此,在敷銅時(shí)最好采用柵格狀銅箔,并將此柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò )連通,這樣柵格將會(huì )有較好的屏蔽效果,柵格網(wǎng)的尺寸由所要重點(diǎn)屏蔽的干擾頻率而定。 在完成布線(xiàn)、焊盤(pán)和過(guò)孔的設計后,應執行DRC(設計規則檢查)。在檢查結果中詳細列出了所設計的圖與所定義的規則之間的差異,可查出不符合要求的網(wǎng)絡(luò )。但是,首先應在布線(xiàn)前對DRC進(jìn)行參數設定才可運行DRC,即執行ToolsDesignRuleCheck命令。 4 結束語(yǔ) 高頻電路PCB的設計是一個(gè)復雜的過(guò)程,涉及的因素很多,都可能直接關(guān)系到高頻電路的工作性能。因此,設計者需要在實(shí)際的工作中不斷研究和探索,不斷積累經(jīng)驗,并結合新的EDA(電子設計自動(dòng)化)技術(shù)才能設計出性能優(yōu)良的高頻電路PCB。 |
