如何利用PROTEL設(shè)計(jì)工具進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)

1 問(wèn)題的提出

隨著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，時(shí)鐘速度和器件上升時(shí)間越來(lái)越快，高速電路設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)過(guò)程的重要部分。在高速電路設(shè)計(jì)中， 電路板線路上的電感與電容會(huì)使導(dǎo)線等效成為一條傳輸線。端接元件的布局不正確或高速信號(hào)的錯(cuò)誤布線都會(huì)引起傳輸線效應(yīng)問(wèn)題， 從而使系統(tǒng)輸出不正確的數(shù)據(jù)、電路工作不正常甚至完全不工作?；趥鬏斁€模型，歸納起來(lái)，傳輸線會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)帶來(lái)信號(hào)反射、串?dāng)_、電磁干擾、電源與接地噪聲等不良效應(yīng)。

為了設(shè)計(jì)出能夠可靠性工作的高速PCB 電路板，必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分細(xì)致的考慮，解決布局布線時(shí)可能產(chǎn)生的一些不可靠的問(wèn)題， 縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 高頻系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)

在電路的PCB 設(shè)計(jì)中， 布局是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)， 布局結(jié)果的好壞將直接影響布線的效果和系統(tǒng)的可靠性， 這在整個(gè)印制電路板設(shè)計(jì)中最耗時(shí)也最難。高頻PCB 的復(fù)雜環(huán)境使得高頻系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)很難用學(xué)到的理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行， 它要求布板的人必須有豐富的高速PCB 制板經(jīng)驗(yàn)， 這樣才能在設(shè)計(jì)過(guò)程中少走彎路， 提高電路工作的可靠性與有效性。在布局的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾、將來(lái)布線的方便性、美觀性等方面綜合考慮。

首先， 在布局之前先對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行功能劃分，將高頻電路與低頻電路分開(kāi)、模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)， 每個(gè)功能電路以芯片為中心盡量靠近布置，其連線越短越好，以避免導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致的傳輸延遲，提高電容的去耦效果。此外，還要注意管腳與電路元件以及其他管子之間的相對(duì)位置和方向，以減少相互之間的影響。所有的高頻元器件應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)殼和其他金屬板以減小寄生耦合。

其次， 布局時(shí)應(yīng)注意元器件之間的熱影響和電磁影響，這些影響對(duì)高頻系統(tǒng)尤為嚴(yán)重，應(yīng)采取遠(yuǎn)離或隔離、散熱和屏蔽措施。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)該裝有散熱器，并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類(lèi)的怕熱元件應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)熱元件， 否則電解液會(huì)被烤干，造成電阻增大、性能變差，影響電路的穩(wěn)定性。在布局時(shí)應(yīng)該留有足夠的空間來(lái)安排防護(hù)結(jié)構(gòu)，并防止引入各種寄生耦合。為防止印刷電路板上線圈之間的電磁耦合， 兩個(gè)線圈應(yīng)呈直角放置，為了減小耦合系數(shù)。還可以采用立板隔離的方法。最好直接用其元件的引線焊接在電路上，引線越短越好，不要用接插件和焊片，因?yàn)橄噜徍钙g存在分布電容和分布電感。晶體振蕩器、RIN、模擬電壓、參考電壓信號(hào)走線周?chē)苊夥胖酶咴肼曉骷?/p>

最后，在保證內(nèi)在質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，兼顧整體的美觀，進(jìn)行合理的電路板規(guī)劃，元器件應(yīng)平行或垂直板面，并和主要的板邊平行或垂直。元器件在板面上分布應(yīng)盡量均勻，密度一致。這樣，不但美觀而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

3 高頻系統(tǒng)的布線

在高頻電路中，連接導(dǎo)線的電阻、電容、電感和互感的分布參數(shù)是不可忽視的， 從抗干擾的角度考慮，合理布線就是要設(shè)法減小電路中的線阻、分布電容、雜散電感，把由此產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)降低到最小的程度，從而使電路的分布電容、漏磁通、電磁互感以及其他由噪聲所引起的干擾得到抑制。

PROTEL 設(shè)計(jì)工具在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，然而，不少設(shè)計(jì)者僅僅關(guān)注于“布通率”，對(duì)PROTEL設(shè)計(jì)工具為適應(yīng)器件特性的變化所做的改進(jìn)并未用于設(shè)計(jì)中， 這不僅使得設(shè)計(jì)工具資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重，更使得很多新的器件的優(yōu)異性能難以發(fā)揮。

下面介紹PROTEL99 SE 工具能提供的一些特殊功能。

（1）高頻電路器件管腳間的引線彎折越少越好，最好采用全直線，需要彎折時(shí)，可用45°折線或圓弧彎折， 這樣可以減少高頻信號(hào)對(duì)外發(fā)射和相互間的耦合。用PROTEL 布線時(shí)可在“Design”菜單“rules” 中的“Routing Corners” 中選擇45－Degrees或Rounded。也可以用shift＋space 鍵進(jìn)行線形的快速切換。

（2） 高頻電路器件管腳間的引線越短越好。

PROTEL 99 滿(mǎn)足布線最短化的最有效的手段是在自動(dòng)布線前對(duì)個(gè)別重點(diǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行布線預(yù)約。在“Design”菜單“rules”中的“Routing Topology”

中選擇shortest。

（3）高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好。即元件連接過(guò)程中所用的過(guò)孔越少越好。

一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0．5pF 的分布電容，減少過(guò)孔數(shù)能顯著提高速度。

（4）高頻電路布線，要注意信號(hào)線進(jìn)距離平行走線所引入的“交叉干擾”即串?dāng)_。若無(wú)法避免平行分布，可在平行信號(hào)線的反面布置大面積“地”

來(lái)大幅度減少干擾。同一個(gè)層內(nèi)的平行走線幾乎無(wú)法避免，但是在相鄰的兩個(gè)層，走線的方向務(wù)必取為相互垂直， 這在PROTEL 中不難做到但卻容易忽視。在“Design” 菜單“rules” 中的“RoutingLayers”中Toplayer 選擇Horizontal，BottomLayer 選擇Vertical。除此之外，在“place”中提供了“Polygonplane”

的功能，即多邊形柵格銅箔面，如果在放置時(shí)，就把多邊形取為整個(gè)印制電路板的一個(gè)面， 并把此敷銅與電路的GND 連通，這樣就能提高高頻抗干擾能力，還對(duì)散熱、印板強(qiáng)度等有較大的好處。

（5）對(duì)特別重要的信號(hào)線或局部單元實(shí)施地線包圍的措施。在“Tools”中提供了“outline selectedobjects”， 利用此功能可以自動(dòng)地對(duì)所選定的重要信號(hào)線進(jìn)行“包地”處理（如振蕩電路LT 和X1）。

（6）一般電路電源線與接地線設(shè)置要比信號(hào)線寬，可以利用“Design”菜單中的“Classes”對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)，分為電源網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合布線規(guī)則的設(shè)置就可以方便的進(jìn)行電源線與信號(hào)線的線寬切換。

（7）各類(lèi)走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。如果產(chǎn)生環(huán)路電路，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的干擾。對(duì)此可以采用菊花鏈的布線方式，能有效避免布線時(shí)形成環(huán)路、分枝或者形成樹(shù)樁，但是也會(huì)帶來(lái)不容易布線的問(wèn)題。

（8）根據(jù)各種芯片的資料和設(shè)計(jì)，估算該電源線路所通過(guò)的電流，確定所需要的導(dǎo)線寬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得到：W（線寬）≥L（mm／A）×I（A）。

根據(jù)電流大小，盡量加大電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。需要時(shí)，電源線、接地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件，用來(lái)阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。

（9）同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)該保持一致，線寬的變化會(huì)導(dǎo)致線路特性阻抗的不均勻， 當(dāng)傳輸?shù)乃俣容^高時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免。同時(shí)加大平行線的線寬，當(dāng)線的中心距不超過(guò)3 倍線寬時(shí)， 則可保持70％的電場(chǎng)不互相干擾，稱(chēng)為3W 原則。這樣可以克服平行線帶來(lái)的分布電容與分布電感的影響。

4 電源線與地線的設(shè)計(jì)

為了解決高頻電路引進(jìn)的電源噪聲和線路阻抗帶來(lái)的壓降， 必須充分考慮高頻電路中的電源供電系統(tǒng)的可靠性。一般有兩種解決方案：一是采用電源總線技術(shù)進(jìn)行布線； 二是采用單獨(dú)的電源供電層。相比較而言，后者的制作工藝比較復(fù)雜，費(fèi)用也比較昂貴。所以，可以采用網(wǎng)絡(luò)式的電源總線技術(shù)進(jìn)行布線，使得每個(gè)元件屬于不同回路，網(wǎng)絡(luò)上每條總線上的電流趨于平衡， 減小線路阻抗引起的壓降問(wèn)題。

高頻發(fā)射功率比較大，可以采用大面積敷銅，就近尋找低阻值接地面多點(diǎn)接地。因?yàn)?，接地引線的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比， 工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗， 從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長(zhǎng)度盡量短。盡量減小信號(hào)線的長(zhǎng)度，增大地面回路的面積。

在芯片的電源與地端設(shè)置一個(gè)或者幾個(gè)高頻去耦電容， 為集成片的瞬變電流提供就近的高頻通道， 使電流不至于通過(guò)環(huán)路面積較大的供電線路，從而大大減小了向外輻射的噪聲。要選高頻信號(hào)好的獨(dú)石電容式瓷片電容作為去耦電容。用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作為電路充電的儲(chǔ)能電容。因?yàn)殡娊怆娙莸姆植茧姼休^大，對(duì)高頻無(wú)效。使用電解電容時(shí)，要與高頻特性好的去耦電容成對(duì)使用。

5 其他高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。高速PCB 布線時(shí)，為了防止信號(hào)的反射，要求線路的阻抗為50 Ω。這是個(gè)大約的數(shù)字，一般規(guī)定同軸電纜基帶50 Ω，頻帶75 Ω，對(duì)絞線則為100 Ω，只是取整數(shù)而已，為了匹配方便。根據(jù)具體的電路分析采用并行AC 端接，使用電阻和電容網(wǎng)絡(luò)作為端接阻抗，端接電阻R 要小于等于傳輸線阻抗Z0，電容C必須大于100 pF， 推薦使用0．1UF 的多層陶瓷電容。電容有阻低頻、通高頻的作用，因此電阻R 不是驅(qū)動(dòng)源的直流負(fù)載， 故這種端接方式無(wú)任何直流功耗。

串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)， 因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的電壓噪聲干擾。耦合分為容性耦合和感性耦合，過(guò)大的串?dāng)_可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。根據(jù)串?dāng)_的一些特性， 可以歸納出幾種減小串?dāng)_的主要方法：

（1）加大線間距，減小平行長(zhǎng)度，必要時(shí)采用jog 方式布線。

（2）高速信號(hào)線在滿(mǎn)足條件的情況下，加入端接匹配可以減小或消除反射，從而減小串?dāng)_。

（3）對(duì)于微帶傳輸線和帶狀傳輸線，將走線高度限制在高于地線平面范圍要求以?xún)?nèi)， 可以顯著減小串?dāng)_。

（4）在布線空間允許的條件下，在串?dāng)_較嚴(yán)重的兩條線之間插入一條地線， 可以起到隔離的作用，從而減小串?dāng)_。

傳統(tǒng)的PCB 設(shè)計(jì)由于缺乏高速分析和仿真指導(dǎo)，信號(hào)的質(zhì)量無(wú)法得到保證，而且大部分問(wèn)題必須等到制版測(cè)試后才能發(fā)現(xiàn)。這大大降低了設(shè)計(jì)的效率， 提高了成本， 在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下顯然是不利的。于是針對(duì)高速PCB 設(shè)計(jì)，業(yè)界人士提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，成為“自上而下”的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)多方面的方針?lè)治龊蛢?yōu)化， 避免了絕大部分可能產(chǎn)生的問(wèn)題，節(jié)省了大量的時(shí)間，確保滿(mǎn)足工程預(yù)算，產(chǎn)生高質(zhì)量的印制板，避免繁瑣而高耗的測(cè)試檢錯(cuò)等。

利用差分線傳輸數(shù)字信號(hào)就是高速數(shù)字電路中控制破壞信號(hào)完整性因素的一項(xiàng)有效措施。在印制電路板上的差分線， 等效于工作在準(zhǔn)TEM 模的差分的微波集成傳輸線對(duì)，其中，位于PCB 頂層或底層的差分線等效于耦合微帶線， 位于多層PCB 內(nèi)層的差分線，等效于寬邊耦合帶狀線。數(shù)字信號(hào)在差分線上傳輸時(shí)是奇模傳輸方式， 即正負(fù)兩路信號(hào)的相位差是180°， 而噪聲以共模的方式在一對(duì)差分線上耦合出現(xiàn)， 在接受器中正負(fù)兩路的電壓或電流相減， 從而可以獲得信號(hào)消除共模噪聲。而差分線對(duì)的低壓幅或電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了高速集成低功耗的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 了解信號(hào)完整性理論， 進(jìn)而指導(dǎo)和驗(yàn)證高速PCB 的設(shè)計(jì)是一件刻不容緩的事情。本文總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)可以幫助高速電路PCB 設(shè)計(jì)者縮短開(kāi)發(fā)周期， 避免走不必要的彎路，節(jié)省人力物力。設(shè)計(jì)者要在實(shí)際的工作中不斷研究和探索，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新的技術(shù)才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的高速PCB 電路板。
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