pcb板設(shè)計的基本原則

大家都知道理做PCB板就是把設(shè)計好的原理圖變成一塊實實在在的PCB電路板,請別小看這一過程,有很多原理上行得通的東西在工程中卻難以實現(xiàn),或是別人能實現(xiàn)的東西另一些人卻實現(xiàn)不了,因此說做一塊PCB板不難,但要做好一塊PCB板卻不是一件容易的事情。
微電子領(lǐng)域的兩大難點在于高頻信號和微弱信號的處理,在這方面PCB制作水平就顯得尤其重要,同樣的原理設(shè)計,同樣的元器件,不同的人制作出來的PCB就具有不同的結(jié)果,那么如何才能做出一塊好的PCB板呢?根據(jù)我們以往的經(jīng)驗,想就以下幾方面談?wù)勛约旱目捶?

一:要明確設(shè)計目標(biāo)
接受到一個設(shè)計任務(wù),首先要明確其設(shè)計目標(biāo),是普通的PCB板、高頻PCB板、小信號處理PCB板還是既有高頻率又有小信號處理的PCB板，如果是普通的PCB板,只要做到布局布線合理整齊,機械尺寸準(zhǔn)確無誤即可,如有中負(fù)載線和長線,就要采用一定的手段進行處理,減輕負(fù)載,長線要加強驅(qū)動,重點是防止長線反射。
當(dāng)板上有超過40MHz的信號線時，就要對這些信號線進行特殊的考慮，比如線間串?dāng)_等問題。如果頻率更高一些，對布線的長度就有更嚴(yán)格的限制，根據(jù)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)理論，高速電路與其連線間的相互作用是決定性因素，在系統(tǒng)設(shè)計時不能忽略。隨著門傳輸速度的提高，在信號線上的反對將會相應(yīng)增加，相鄰信號線間的串?dāng)_將成正比地增加，通常高速電路的功耗和熱耗散也都很大，在做高速PCB時應(yīng)引起足夠的重視。
當(dāng)板上有毫伏級甚至微伏級的微弱信號時，對這些信號線就需要特別的關(guān)照，小信號由于太微弱，非常容易受到其它強信號的干擾，屏蔽措施常常是必要的，否則將大大降低信噪比。以致于有用信號被噪聲淹沒，不能有效地提取出來。
對板子的調(diào)測也要在設(shè)計階段加以考慮，測試點的物理位置，測試點的隔離等因素不可忽略，因為有些小信號和高頻信號是不能直接把探頭加上去進行測量的。
此外還要考慮其他一些相關(guān)因素，如板子層數(shù)，采用元器件的封裝外形，板子的機械強度等。在做PCB板子前，要做出對該設(shè)計的設(shè)計目標(biāo)心中有數(shù)。

二。了解所用元器件的功能對布局布線的要求

我們知道，有些特殊元器件在布局布線時有特殊的要求，比如LOTI和APH所用的模擬信號放大器，模擬信號放大器對電源要求要平穩(wěn)、紋波小。模擬小信號部分要盡量遠(yuǎn)離功率器件。在OTI板上，小信號放大部分還專門加有屏蔽罩，把雜散的電磁干擾給屏蔽掉。NTOI板上用的GLINK芯片采用的是ECL工藝，功耗大發(fā)熱厲害，對散熱問題必須在布局時就必須進行特殊考慮，若采用自然散熱，就要把GLINK芯片放在空氣流通比較順暢的地方，而且散出來的熱量還不能對其它芯片構(gòu)成大的影響。如果板子上裝有喇叭或其他大功率的器件，有可能對電源造成嚴(yán)重的污染這一點也應(yīng)引起足夠的重視.

三. 元器件布局的考慮
元器件的布局首先要考慮的一個因素就是電性能，把連線關(guān)系密切的元器件盡量放在一起，尤其對一些高速線，布局時就要使它盡可能地短，功率信號和小信號器件要分開。在滿足電路性能的前提下，還要考慮元器件擺放整齊、美觀，便于測試，板子的機械尺寸，插座的位置等也需認(rèn)真考慮。
高速系統(tǒng)中的接地和互連線上的傳輸延遲時間也是在系統(tǒng)設(shè)計時首先要考慮的因素。信號線上的傳輸時間對總的系統(tǒng)速度影響很大，特別是對高速的ECL電路，雖然集成電路塊本身速度很高，但由于在底板上用普通的互連線（每30cm線長約有2ns的延遲量）帶來延遲時間的增加，可使系統(tǒng)速度大為降低.象移位寄存器，同步計數(shù)器這種同步工作部件最好放在同一塊插件板上，因為到不同插件板上的時鐘信號的傳輸延遲時間不相等，可能使移位寄存器產(chǎn)主錯誤，若不能放在一塊板上，則在同步是關(guān)鍵的地方，從公共時鐘源連到各插件板的時鐘線的長度必須相等。 ?
四，對布線的考慮
隨著OTNI和星形光纖網(wǎng)的設(shè)計完成，以后會有更多的100MHz以上的具有高速信號線的板子需要設(shè)計，這里將介紹高速線的一些基本概念。

1．傳輸線
印制電路板上的任何一條“長”的信號通路都可以視為一種傳輸線。如果該線的傳輸延遲時間比信號上升時間短得多，那么信號上升期間所產(chǎn)主的反射都將被淹沒。不再呈現(xiàn)過沖、反沖和振鈴，對現(xiàn)時大多數(shù)的MOS電路來說，由于上升時間對線傳輸延遲時間之比大得多，所以走線可長以米計而無信號失真。而對于速度較快的邏輯電路，特別是超高速ECL
集成電路來說，由于邊沿速度的增快，若無其它措施，走線的長度必須大大縮短，以保持信號的完整性。
有兩種方法能使高速電路在相對長的線上工作而無嚴(yán)重的波形失真，TTL對快速下降邊沿采用肖特基二極管箝位方法，使過沖量被箝制在比地電位低一個二極管壓降的電平上，這就減少了后面的反沖幅度，較慢的上升邊緣允許有過沖，但它被在電平“H”狀態(tài)下電路的相對高的輸出阻抗（50～80Ω）所衰減。此外，由于電平“H”狀態(tài)的抗擾度較大，使反沖問題并不十分突出，對HCT系列的器件，若采用肖特基二極管箝位和串聯(lián)電阻端接方法相結(jié)合，其改善的效果將會更加明顯。
當(dāng)沿信號線有扇出時，在較高的位速率和較快的邊沿速率下，上述介紹的TTL整形方法顯得有些不足。因為線中存在著反射波，它們在高位速率下將趨于合成，從而引起信號嚴(yán)重失真和抗干擾能力降低。因此，為了解決反射問題，在ECL系統(tǒng)中通常使用另外一種方法：線阻抗匹配法。用這種方法能使反射受到控制，信號的完整性得到保證。
嚴(yán)格他說，對于有較慢邊沿速度的常規(guī)TTL和CMOS器件來說，傳輸線并不是十分需要的.對有較快邊沿速度的高速ECL器件，傳輸線也不總是需要的。但是當(dāng)使用傳輸線時，它們具有能預(yù)測連線時延和通過阻抗匹配來控制反射和振蕩的優(yōu)點。1
決定是否采用傳輸線的基本因素有以下五個。它們是： （1）系統(tǒng)信號的沿速率， （2）連線距離,（3）容性負(fù)載(扇出的多少)， （4）電阻性負(fù)載（線的端接方式）；(5）允許的反沖和過沖百分比（交流抗擾度的降低程度）。
2．傳輸線的幾種類型
(1)同軸電纜和雙絞線：它們經(jīng)常用在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接。同軸電纜的特性阻抗通常有50Ω和75Ω，雙絞線通常為110Ω。
（2）印制板上的微帶線
微帶線是一根帶狀導(dǎo)(信號線)．與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。微帶線的特性阻抗Z0為：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中：【Er為印制板介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 6為介電質(zhì)層的厚度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? W為線的寬度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t為線的厚度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 單位長度微帶線的傳輸延遲時間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無關(guān)。
(3)印制板中的帶狀線
帶狀線是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的，帶狀線的特性阻抗乙為:

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中：b是兩塊地線板間的距離
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? W為線的寬度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t為線的厚度
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 同樣，單位長度帶狀線的傳輸延遲時間與線的寬度或間距是無關(guān)的；僅取決于所用介質(zhì)的相對介電常數(shù)。
3．端接傳輸線
在一條線的接收端用一個與線特性阻抗相等的電阻端接，則稱該傳輸線為并聯(lián)端接線。它主要是為了獲得最好的電性能，包括驅(qū)動分布負(fù)載而采用的。
有時為了節(jié)省電源消耗，對端接的電阻上再串接一個104電容形成交流端接電路，它能有效地降低直流損耗。
在驅(qū)動器和傳輸線之間串接一個電阻，而線的終端不再接端接電阻，這種端接方法稱之為串聯(lián)端接。較長線上的過沖和振鈴可用串聯(lián)阻尼或串聯(lián)端接技術(shù)來控制.串聯(lián)阻尼是利用一個與驅(qū)動門輸出端串聯(lián)的小電阻（一般為10～75Ω）來實現(xiàn)的.這種阻尼方法適合與特性阻抗來受控制的線相聯(lián)用(如底板布線，無地平面的電路板和大多數(shù)繞接線等。
串聯(lián)端接時串聯(lián)電阻的值與電路（驅(qū)動門）輸出阻抗之和等于傳輸線的特性阻抗.串聯(lián)聯(lián)端接線存在著只能在終端使用集總負(fù)載和傳輸延遲時間較長的缺點.但是，這可以通過使用多余串聯(lián)端接傳輸線的方法加以克服。
4．非端接傳輸線

如果線延遲時間比信號上升時間短得多，可以在不用串聯(lián)端接或并聯(lián)端接的情況下使用傳輸線，如果一根非端接線的雙程延遲（信號在傳輸線上往返一次的時間）比脈沖信號的上升時間短，那么由于非端接所引起的反沖大約是邏輯擺幅的15％。最大開路線長度近似為：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Lmax＜tr/2tpd
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中：tr為上升時間
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? tpd為單位線長的傳輸延遲時間
5．幾種端接方式的比較
并聯(lián)端接線和串聯(lián)端接線都各有優(yōu)點，究竟用哪一種，還是兩種都用，這要看設(shè)計者的愛好和系統(tǒng)的要求而定。
并聯(lián)端接線的主要優(yōu)點是系統(tǒng)速度快和信號在線上傳輸完整無失真。長線上的負(fù)載既不會影響驅(qū)動長線的驅(qū)動門的傳輸延遲時間，又不會影響它的信號邊沿速度，但將使信號沿該長線的傳輸延遲時間增大。在驅(qū)動大扇出時，負(fù)載可經(jīng)分支短線沿線分布，而不象串聯(lián)端接中那樣必須把負(fù)載集總在線的終端。
串聯(lián)端接方法使電路有驅(qū)動幾條平行負(fù)載線的能力，串聯(lián)端接線由于容性負(fù)載所引起的延遲時間增量約比相應(yīng)并聯(lián)端接線的大一倍，而短線則因容性負(fù)載使邊沿速度放慢和驅(qū)動門延遲時間增大，但是，串聯(lián)端接線的串?dāng)_比并聯(lián)端接線的要小，其主要原因是沿串聯(lián)端接線傳送的信號幅度僅僅是二分之一的邏輯擺幅，因而開關(guān)電流也只有并聯(lián)端接的開關(guān)電流的一半，信號能量小串?dāng)_也就小。

五．PCB板的布線技術(shù)
做PCB時是選用雙面板還是多層板，要看最高工作頻率和電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及對組裝密度的要求來決定。在時鐘頻率超過200MHZ時最好選用多層板。如果工作頻率超過350MHz，最好選用以聚四氟乙烯作為介質(zhì)層的印制電路板，因為它的高頻衰耗要小些，寄生電容要小些，傳輸速度要快些，還由于Z0較大而省功耗，對印制電路板的走線有如下原則要求
(1）所有平行信號線之間要盡量留有較大的間隔，以減少串?dāng)_。如果有兩條相距較近的信號線，最好在兩線之間走一條接地線，這樣可以起到屏蔽作用。
(2) 設(shè)計信號傳輸線時要避免急拐彎，以防傳輸線特性阻抗的突變而產(chǎn)生反射，要盡量設(shè)計成具有一定尺寸的均勻的圓弧線。
(3)印制線的寬度可根據(jù)上述微帶線和帶狀線的特性阻抗計算公式計算，印制電路板上的微帶線的特性阻抗一般在50～120Ω之間。要想得到大的特性阻抗，線寬必須做得很窄。但很細(xì)的線條又不容易制作。綜合各種因素考慮，一般選擇68Ω左右的阻抗值比較合適，因為選擇68Ω的特性阻抗，可以在延遲時間和功耗之間達(dá)到最佳平衡。一條50Ω的傳輸線將消耗更多的功率；較大的阻抗固然可以使消耗功率減少，但會使傳輸延遲時間憎大。由于負(fù)線電容會造成傳輸延遲時間的增大和特性阻抗的降低。但特性阻抗很低的線段單位長度的本征電容比較大，所以傳輸延遲時間及特性阻抗受負(fù)載電容的影響較小。具有適當(dāng)端接的傳輸線的一個重要特征是，分枝短線對線延遲時間應(yīng)沒有什么影響。當(dāng)Z0為50Ω時。分枝短線的長度必須限制在2．5cm以內(nèi)．以免出現(xiàn)很大的振鈴。
（4）對于雙面板（或六層板中走四層線）．電路板兩面的線要互相垂直，以防止互相感應(yīng)產(chǎn)主串?dāng)_。
（5）印制板上若裝有大電流器件，如繼電器、指示燈、喇叭等，它們的地線最好要分開單獨走，以減少地線上的噪聲，這些大電流器件的地線應(yīng)連到插件板和背板上的一個獨立的地總線上去，而且這些獨立的地線還應(yīng)該與整個系統(tǒng)的接地點相連接。
（6）如果板上有小信號放大器，則放大前的弱信號線要遠(yuǎn)離強信號線，而且走線要盡可能地短，如有可能還要用地線對其進行屏蔽。