資深工程師分享高頻電路設(shè)計的那些經(jīng)驗

如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過45MHZ~50MHZ，而且工作在這個頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個電子系統(tǒng)一定的份量(比如說1/3)，通常就稱為高頻電路。高頻電路設(shè)計是一個非常復(fù)雜的設(shè)計過程，其布線對整個設(shè)計至關(guān)重要!

【第一招】多層板布線

高頻電路往往集成度較高，布線密度大，采用多層板既是布線所必須，也是降低干擾的有效手段。在PCB Layout階段，合理的選擇一定層數(shù)的印制板尺寸，能充分利用中間層來設(shè)置屏蔽，更好地實現(xiàn)就近接地，并有效地降低寄生電感和縮短信號的傳輸長度，同時還能大幅度地降低信號的交叉干擾等，所有這些方法都對高頻電路的可靠性有利。有資料顯示，同種材料時，四層板要比雙面板的噪聲低20dB。但是，同時也存在一個問題，PCB半層數(shù)越高，制造工藝越復(fù)雜，單位成本也就越高，這就要求我們在進(jìn)行PCB Layout時，除了選擇合適的層數(shù)的PCB板，還需要進(jìn)行合理的元器件布局規(guī)劃，并采用正確的布線規(guī)則來完成設(shè)計。

【第二招】高速電子器件管腳間的引線彎折越少越好

高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折，可用45度折線或者圓弧轉(zhuǎn)折，這種要求在低頻電路中僅僅用于提高銅箔的固著強(qiáng)度，而在高頻電路中，滿足這一要求卻可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。

【第三招】高頻電路器件管腳間的引線越短越好

信號的輻射強(qiáng)度是和信號線的走線長度成正比的，高頻的信號引線越長，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以對于諸如信號的時鐘、晶振、DDR的數(shù)據(jù)、LVDS線、USB線、HDMI線等高頻信號線都是要求盡可能的走線越短越好。

【第四招】高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好

所謂“引線的層間交替越少越好”是指元件連接過程中所用的過孔(Via)越少越好。據(jù)側(cè)，一個過孔可帶來約0.5pF的分布電容，減少過孔數(shù)能顯著提高速度和減少數(shù)據(jù)出錯的可能性。

【第五招】注意信號線近距離平行走線引入的“串?dāng)_”

高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的“串?dāng)_”，串?dāng)_是指沒有直接連接的信號線之間的耦合現(xiàn)象。由于高頻信號沿著傳輸線是以電磁波的形式傳輸?shù)?，信號線會起到天線的作用，電磁場的能量會在傳輸線的周圍發(fā)射，信號之間由于電磁場的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲信號稱為串?dāng)_(Crosstalk)。PCB板層的參數(shù)、信號線的間距、驅(qū)動端和接收端的電氣特性以及信號線端接方式對串?dāng)_都有一定的影響。所以為了減少高頻信號的串?dāng)_，在布線的時候要求盡可能的做到以下幾點：

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或地平面，可以起到隔離的作用而減少串?dāng)_。

當(dāng)信號線周圍的空間本身就存在時變的電磁場時，若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”來大幅減少干擾。

在布線空間許可的前提下，加大相鄰信號線間的間距，減小信號線的平行長度，時鐘線盡量與關(guān)鍵信號線垂直而不要平行。

如果同一層內(nèi)的平行走線幾乎無法避免，在相鄰兩個層，走線的方向務(wù)必卻為相互垂直。

在數(shù)字電路中，通常的時鐘信號都是邊沿變化快的信號，對外串?dāng)_大。所以在設(shè)計中，時鐘線宜用地線包圍起來并多打地線孔來減少分布電容，從而減少串?dāng)_。

對高頻信號時鐘盡量使用低電壓差分時鐘信號并包地方式，需要注意包地打孔的完整性。

閑置不用的輸入端不要懸空，而是將其接地或接電源(電源在高頻信號回路中也是地)，因為懸空的線有可能等效于發(fā)射天線，接地就能抑制發(fā)射。實踐證明，用這種辦法消除串?dāng)_有時能立即見效。

【第六招】集成電路塊的電源引腳增加高頻退藕電容

每個集成電路塊的電源引腳就近增一個高頻退藕電容。增加電源引腳的高頻退藕電容，可以有效地抑制電源引腳上的高頻諧波形成干擾。

【第七招】高頻數(shù)字信號的地線和模擬信號地線做隔離

模擬地線、數(shù)字地線等接往公共地線時要用高頻扼流磁珠連接或者直接隔離并選擇合適的地方單點互聯(lián)。高頻數(shù)字信號的地線的地電位一般是不一致的，兩者直接常常存在一定的電壓差，而且，高頻數(shù)字信號的地線還常常帶有非常豐富的高頻信號的諧波分量，當(dāng)直接連接數(shù)字信號地線和模擬信號地線時，高頻信號的諧波就會通過地線耦合的方式對模擬信號進(jìn)行干擾。所以通常情況下，對高頻數(shù)字信號的地線和模擬信號的地線是要做隔離的，可以采用在合適位置單點互聯(lián)的方式，或者采用高頻扼流磁珠互聯(lián)的方式。

【第八招】避免走線形成的環(huán)路

各類高頻信號走線盡量不要形成環(huán)路，若無法避免則應(yīng)使環(huán)路面積盡量小。

【第九招】必須保證良好的信號阻抗匹配

信號在傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)阻抗不匹配的時候，信號就會在傳輸通道中發(fā)生信號的反射，反射會使合成信號形成過沖，導(dǎo)致信號在邏輯門限附近波動。

消除反射的根本辦法是使傳輸信號的阻抗良好匹配，由于負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗相差越大反射也越大，所以應(yīng)盡可能使信號傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗相等。同時還要注意PCB上的傳輸線不能出現(xiàn)突變或拐角，盡量保持傳輸線各點阻抗連續(xù)，否則在傳輸線各段之間也將會出現(xiàn)反射。這就要求在進(jìn)行高速PCB布線時，必須要遵守以下布線規(guī)則：

USB布線規(guī)則。要求USB信號差分走線，線寬10mil，線距6mil，地線和信號線距6mil。

HDMI布線規(guī)則。要求HDMI信號差分走線，線寬10mil，線距6mil，每兩組HDMI差分信號對的間距超過20mil。

LVDS布線規(guī)則。要求LVDS信號差分走線，線寬7mil，線距6mil，目的是控制HDMI的差分信號對阻抗為100+-15%歐姆

DDR布線規(guī)則。DDR1走線要求信號盡量不走過孔，信號線等寬，線與線等距，走線必須滿足2W原則，以減少信號間的串?dāng)_，對DDR2及以上的高速器件，還要求高頻數(shù)據(jù)走線等長，以保證信號的阻抗匹配。

【第十招】保持信號傳輸?shù)耐暾?，防止由于地線分割引起的“地彈現(xiàn)象”。