如何在PCB互連設(shè)計(jì)中降低RF效應(yīng)

電路板系統(tǒng)的互連包括：芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。在RF設(shè)計(jì)中，互連點(diǎn)處的電磁特性是工程設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題之一，本文介紹上述三類互連設(shè)計(jì)的各種技巧，內(nèi)容涉及器件安裝方法、布線的隔離以及減少引線電感的措施等等。

目前有跡象表明，印刷電路板設(shè)計(jì)的頻率越來(lái)越高。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳送所要求的帶寬也促使信號(hào)頻率上限達(dá)到1GHz，甚至更高。這種高頻信號(hào)技術(shù)雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出毫米波技術(shù)范圍(30GHz)，但的確也涉及RF和低端微波技術(shù)。

RF工程設(shè)計(jì)方法必須能夠處理在較高頻段處通常會(huì)產(chǎn)生的較強(qiáng)電磁場(chǎng)效應(yīng)。這些電磁場(chǎng)能在相鄰信號(hào)線或PCB線上感生信號(hào)，導(dǎo)致令人討厭的串?dāng)_(干擾及總噪聲)，并且會(huì)損害系統(tǒng)性能。回?fù)p主要是由阻抗失配造成，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響如加性噪聲和干擾產(chǎn)生的影響一樣。

高回?fù)p有兩種負(fù)面效應(yīng)：

1. 信號(hào)反射回信號(hào)源會(huì)增加系統(tǒng)噪聲，使接收機(jī)更加難以將噪聲和信號(hào)區(qū)分開來(lái)；

2. 任何反射信號(hào)基本上都會(huì)使信號(hào)質(zhì)量降低，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的形狀出現(xiàn)了變化。

盡管由于數(shù)字系統(tǒng)只處理1和0信號(hào)并具有非常好的容錯(cuò)性，但是高速脈沖上升時(shí)產(chǎn)生的諧波會(huì)導(dǎo)致頻率越高信號(hào)越弱。盡管前向糾錯(cuò)技術(shù)可以消除一些負(fù)面效應(yīng)，但是系統(tǒng)的部分帶寬用于傳輸冗余數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。一個(gè)較好的解決方案是讓RF效應(yīng)有助于而非有損于信號(hào)的完整性。建議數(shù)字系統(tǒng)最高頻率處(通常是較差數(shù)據(jù)點(diǎn))的回?fù)p總值為-25dB，相當(dāng)于VSWR為1.1。

PCB設(shè)計(jì)的目標(biāo)是更小、更快和成本更低。對(duì)于RF PCB而言，高速信號(hào)有時(shí)會(huì)限制PCB設(shè)計(jì)的小型化。目前，解決串?dāng)_問(wèn)題的主要方法是進(jìn)行接地層管理，在布線之間進(jìn)行間隔和降低引線電感(stud capacitance)。降低回?fù)p的主要方法是進(jìn)行阻抗匹配。此方法包括對(duì)絕緣材料的有效管理以及對(duì)有源信號(hào)線和地線進(jìn)行隔離，尤其在狀態(tài)發(fā)生跳變的信號(hào)線和地之間更要進(jìn)行間隔。

由于互連點(diǎn)是電路鏈上最為薄弱的環(huán)節(jié)，在RF設(shè)計(jì)中，互連點(diǎn)處的電磁性質(zhì)是工程設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題，要考察每個(gè)互連點(diǎn)并解決存在的問(wèn)題。電路板系統(tǒng)的互連包括芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部裝置之間信號(hào)輸入/輸出等三類互連。

一、芯片到PCB板間的互連

Pentium IV以及包含大量輸入/輸出互連點(diǎn)的高速芯片已經(jīng)面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且處理速率已經(jīng)能夠達(dá)到1GHz。在最近GHz互連研討會(huì)(www.az.ww .com)上，最令人激動(dòng)之處在于：處理I/O數(shù)量和頻率不斷增長(zhǎng)問(wèn)題的方法已經(jīng)廣為人知。芯片與PCB互連的最主要問(wèn)題是互連密度太高會(huì)導(dǎo)致PCB材料的基本結(jié)構(gòu)成為限制互連密度增長(zhǎng)的因素。會(huì)議上提出了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，即采用芯片內(nèi)部的本地?zé)o線發(fā)射器將數(shù)據(jù)傳送到鄰近的電路板上。

無(wú)論此方案是否有效，與會(huì)人員都非常清楚：就高頻應(yīng)用而言，IC設(shè)計(jì)技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。

? ? ? ?二、PCB板內(nèi)互連
進(jìn)行高頻PCB設(shè)計(jì)的技巧和方法如下：
1. 傳輸線拐角要采用45°角，以降低回?fù)p；
2. 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利于對(duì)絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場(chǎng)進(jìn)行有效管理。
3. 突出引線存在抽頭電感，要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。
4. 對(duì)信號(hào)過(guò)孔而言，要避免在敏感板上使用過(guò)孔加工(pth)工藝，因?yàn)樵摴に嚂?huì)導(dǎo)致過(guò)孔處產(chǎn)生引線電感。如一個(gè)20層板上的一個(gè)過(guò)孔用于連接1至3層時(shí)，引線電感可影響4到19層。
5. 要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來(lái)防止3維電磁場(chǎng)對(duì)電路板的影響。
6. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝，不要采用HASL法進(jìn)行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(yīng)(圖2)。此外，這種高可焊涂層所需引線較少，有助于減少環(huán)境污染。
7. 阻焊層可防止焊錫膏的流動(dòng)。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個(gè)板表面都覆蓋阻焊材料將會(huì)導(dǎo)致微帶設(shè)計(jì)中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩(solder dam)來(lái)作阻焊層。

8. 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范。要考慮規(guī)定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對(duì)布線形狀的下切(undercut)和橫斷面進(jìn)行管理并指定布線側(cè)壁電鍍條件。對(duì)布線(導(dǎo)線)幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理，對(duì)解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)重要。如果你不熟悉這些方法，可向曾從事過(guò)軍用微波電路板設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師咨詢。你還可同他們討論一下你所能承受的價(jià)格范圍。例如，采用背面覆銅共面(copper-backed coplanar)微帶設(shè)計(jì)比帶狀線設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)，你可就此同他們進(jìn)行討論以便得到更好的建議。優(yōu)秀的工程師可能不習(xí)慣考慮成本問(wèn)題，但是其建議也是相當(dāng)有幫助的?，F(xiàn)在要盡量對(duì)那些不熟悉RF效應(yīng)、缺乏處理RF效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的年輕工程師進(jìn)行培養(yǎng)，這將會(huì)是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作。

此外，還可以采用其他解決方案，如改進(jìn)計(jì)算機(jī)型，使之具備RF效應(yīng)處理能力。

? ? ? ?三、PCB與外部裝置互連

現(xiàn)在可以認(rèn)為我們解決了板上以及各個(gè)分立組件互連上的所有信號(hào)管理問(wèn)題。那么怎么解決從電路板到連接遠(yuǎn)端器件導(dǎo)線的信號(hào)輸入/輸出問(wèn)題呢？同軸電纜技術(shù)的創(chuàng)新者Trompeter Electronics公司正致力于解決這個(gè)問(wèn)題，并已經(jīng)取得一些重要進(jìn)展(圖3)。 另外，看一下圖4中給出的電磁場(chǎng)。這種情況下，我們管理著微帶到同軸電纜之間的轉(zhuǎn)換。在同軸電纜中，地線層是環(huán)形交織的，并且間隔均勻。在微帶中，接地層在有源線之下。這就引入了某些邊緣效應(yīng)，需在設(shè)計(jì)時(shí)了解、預(yù)測(cè)并加以考慮。當(dāng)然，這種不匹配也會(huì)導(dǎo)致回?fù)p，必須最大程度減小這種不匹配以避免產(chǎn)生噪音和信號(hào)干擾。

電路板內(nèi)阻抗問(wèn)題的管理并不是一個(gè)可以忽略的設(shè)計(jì)問(wèn)題。阻抗從電路板表層開始，然后通過(guò)一個(gè)焊點(diǎn)到接頭，最后終結(jié)于同軸電纜處。由于阻抗隨頻率變化，頻率越高，阻抗管理越難。在寬帶上采用更高頻率來(lái)傳輸信號(hào)的問(wèn)題看來(lái)是設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題。

? ? ? ?本文總結(jié):

PCB平臺(tái)技術(shù)需要不斷改進(jìn)以達(dá)到集成電路設(shè)計(jì)人員的要求。PCB設(shè)計(jì)中高頻信號(hào)的管理以及PCB電路板上信號(hào)輸入/輸出的管理都需要不斷的改進(jìn)。無(wú)論以后會(huì)發(fā)生什么令人激動(dòng)的創(chuàng)新，我都認(rèn)為帶寬將會(huì)越來(lái)越高，而采用高頻信號(hào)技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)這種帶寬不斷增長(zhǎng)的前提。

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