高頻電路在PCB設(shè)計(jì)中的特殊對(duì)策

　　引言

　　隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)字、高頻電路正向高速、低耗、小體積、高抗干擾性方向發(fā)展，這樣就給PCB （印制電路板、印刷線路板）設(shè)計(jì)提出了更高的要求。而Protel 99SE 設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全利用了Windows XP和Windows2000 平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，其PCB 模塊的超強(qiáng)設(shè)計(jì)環(huán)境使得設(shè)計(jì)工作能更有效地實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)要求。對(duì)于從事高頻電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，已不再是簡(jiǎn)單的要求PCB 的布通率，而是要求設(shè)計(jì)人員在有扎實(shí)的理論知識(shí)及豐富的PCB 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從電路的工作特點(diǎn)和實(shí)際工作環(huán)境等方面去考慮其設(shè)計(jì)，只有這樣我們才能制作出理想的PCB 來(lái)。

　　本文針對(duì)高頻電路在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的布局、布線兩個(gè)方面，以Protel 99SE軟件為例，來(lái)探討一下高頻電路在PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程中的對(duì)策及設(shè)計(jì)技巧。

　　一、高頻PCB 布局

　　布局操作在整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中是很重要的，布局是布線操作的基礎(chǔ)，要達(dá)到完美的元器件布局，設(shè)計(jì)人員就需要從電路工作特點(diǎn)和走線的角度來(lái)思考元件的布局。

　　Protel 99SE 有自動(dòng)布局的功能，具有集群式和統(tǒng)計(jì)式布局二種功能，但它并不能完全滿足高頻電路的工作要求，設(shè)計(jì)人員還需從PCB 的可制造性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、EMI（電磁干擾）、可靠性、信號(hào)的完整性等方面綜合考慮布局，只有這樣才能有效地提高PCB的壽命、穩(wěn)定性、EMC（電磁兼容），才能使得布局更加完美。

　　對(duì)于高頻電路的布局，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先考慮對(duì)那些與結(jié)構(gòu)緊密配合并且位置固定的元器件（例如電源插座、指示燈、連接件和開關(guān)等）進(jìn)行布局，之后對(duì)線路上的特殊元件進(jìn)行布局（例如發(fā)熱元件、變壓器、芯片等），對(duì)一些小器件進(jìn)行布局。同時(shí)，要兼顧布線方面的要求，高頻元器件的放置要盡量緊湊，信號(hào)線的布線才能盡可能短，從而盡可能降低信號(hào)線的交叉干擾。

　　1 、機(jī)械結(jié)構(gòu)方面

　　電源插座、指示燈、連接件和開關(guān)等都屬于此類元器件，都是與機(jī)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 ，與 PCB 邊緣要的距離一般不小于2mm;指示發(fā)光二極管應(yīng)根據(jù)需要準(zhǔn)確地放置；開關(guān)和一些微調(diào)元器件，如可調(diào)電感、可調(diào)電阻等應(yīng)放置在靠近 PCB 邊緣的位置，以便于調(diào)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。質(zhì)量超過(guò)15g 的元器件應(yīng)當(dāng)用支架固定，又大又重的元件不宜直接安放到PCB 上。

　　2 、散熱方面

　　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，在布局時(shí)應(yīng)充分考慮通風(fēng)和散熱，將這類元器件放置在 PCB 邊緣或通風(fēng)處，豎放的板子，發(fā)熱元件應(yīng)放到板子上部，雙面板的底層不得放置發(fā)熱元件。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)裝有散熱器，并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應(yīng)遠(yuǎn)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(wěn)定性。

　　3、特殊元件的布局

　　由于電源設(shè)備內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生50Hz泄漏磁場(chǎng)，當(dāng)它與低頻放大器的某些部分交連時(shí)，會(huì)對(duì)低頻放大器產(chǎn)生干擾。因此，必須將它們隔離開或者進(jìn)行屏蔽處理。

　　放大器各級(jí)能按原理圖排成直線形式，如此排法的優(yōu)點(diǎn)是各級(jí)的接地電流就在本級(jí)閉合流動(dòng)，不影響其他電路的工作。輸入級(jí)與輸出級(jí)應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離，減小它們之間的寄生耦合干擾?？紤]各個(gè)單元功能電路之間的信號(hào)傳遞關(guān)系，還應(yīng)將低頻電路和高頻電路分開，模擬電路和數(shù)字電路分開。集成電路應(yīng)放置在 PCB 的中央，這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。

　　電感器、變壓器等器件具有磁耦合，彼此之間應(yīng)采用正交放置，以減小磁耦合。另外，它們都有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，在其周圍應(yīng)有適當(dāng)大的空間或進(jìn)行磁屏蔽，以減小對(duì)其他電路的影響。

　　4 、電磁干擾

　　我們常用的消除電磁干擾的方法有減小環(huán)路、濾波、屏蔽、盡量降低高頻器件的速度、增加PCB 的介電常數(shù)等方法。

　　如集成電路的去耦電容要盡量就近放置，一般工作頻率在10MHz 以下的用0.1uF 的電容，10MHz 以上的用0.01uF 的電容。

　　某些元件或?qū)Ь€間有較高的電位差，應(yīng)加大距離，以免放電。帶高壓元件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。易互相干擾的元器件不能靠得太近，輸入、輸出元器件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離，避免反饋干擾。高頻元器件為減小分布參數(shù)，一般就近安放（不規(guī)則排列）一般電路（低頻電路）應(yīng)按規(guī)則排列，便于裝焊。

　　二、高頻PCB 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的也是降低干擾的有效手段，Protel 99SE 的PCB系統(tǒng)能提供32 個(gè)信號(hào)層、16 個(gè)機(jī)械層以及防焊層、錫膏層等70 多個(gè)工作層供用戶選擇。合理選擇層數(shù)能大幅度降低PCB 尺寸，能充分利用中間層來(lái)設(shè)置屏蔽能更好地實(shí)現(xiàn)就近接地，能有效地降低寄生電感，能有效縮短信號(hào)的傳輸長(zhǎng)度能大幅度地降低信號(hào)間的交叉干擾等等。 所有這些都對(duì)高頻電路工作的可靠性有利，有資料顯示，同種材料時(shí)，四層板要比雙面板的噪聲低 20dB，但是板層數(shù)越高，制造工藝越復(fù)雜，成本越高。

　　1 、布線一般原則

　　高頻電路器件管腳間的導(dǎo)線越短越好，彎折越少越好，導(dǎo)線采用全直線，應(yīng)盡量避免急劇的彎曲和尖角出現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)折，應(yīng)用圓弧或折線過(guò)渡。這種要求在低頻電路中僅僅用于提高鋼箔的固著強(qiáng)度，而在高頻電路中滿足這一要求卻可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻電路布線中在相鄰層分別取水平和豎直布線交替進(jìn)行，同一層內(nèi)的平行走線無(wú)法避免，但可以在PCB 反面大面積敷設(shè)地線來(lái)降低干擾，針對(duì)常用的雙面板，多層板可利用中間的電源層來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

　　2 、電源線與地線布線

　　多級(jí)電路為防止局部電流產(chǎn)生地阻干擾，各級(jí)電路應(yīng)分別一點(diǎn)接地（或盡量集中接地），高頻電路在3 0 M H z 以上時(shí)，則采用大面積接地，這時(shí)各級(jí)的內(nèi)部元件也應(yīng)集中一小塊區(qū)域接地。易受干擾器件和線中可用地線包圍，各類信號(hào)走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路，電源線和地線應(yīng)靠近，盡量減小圍出的面積，以降低電磁干擾。一般在布線時(shí)，導(dǎo)線寬度在12-80mil 之間，電源線一般取20mil-40mil，地線一般取40mil 以上，在可能的情況下，導(dǎo)線盡量寬些。

　　模擬地線、數(shù)字地線等接往公共地線時(shí)要用高頻扼流環(huán)節(jié)，在實(shí)際裝配高頻扼流環(huán)節(jié)時(shí)用的往往是中心孔穿有導(dǎo)線的高頻鐵氧體磁珠，在電路原理圖上對(duì)它一般不予表達(dá)，由此形成的網(wǎng)絡(luò)表就不包含這類元件，布線時(shí)就會(huì)因此而忽略它的存在，針對(duì)此現(xiàn)實(shí)，可在原理圖中把它當(dāng)作電感，在PCB 元件庫(kù)中單獨(dú)為它定義一個(gè)元件封裝，布線前把它手工移動(dòng)到靠近公共地線匯合點(diǎn)的合適位置上。

　　3 、集成芯片的布線

　　每個(gè)集成電路塊的附近應(yīng)設(shè)置一個(gè)高頻退耦電容，由于 Protel 99SE 軟件在自動(dòng)放置元件時(shí)并不考慮退耦電容與被退耦的集成電路間的位置關(guān)系，任由軟件放置，使兩者相距太遠(yuǎn)，退耦效果不好，這時(shí)必須用手工移動(dòng)元件的辦法事先干預(yù)兩者位置，使之靠近。

　　4 、敷銅

　　敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力，同時(shí)對(duì)于 PCB 散熱和 PCB 的強(qiáng)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?yàn)樵?PCB的使用中時(shí)間太長(zhǎng)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(xiàn)象，因此，在敷銅時(shí)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?xùn)鸥駥?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。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　高頻電路PCB的設(shè)計(jì)過(guò)程一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了以上探討的設(shè)計(jì)對(duì)策，還包括信號(hào)串?dāng)_在內(nèi)的信號(hào)完整性、如何抑制噪聲等問(wèn)題，因此需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的時(shí)候要有全面的規(guī)劃與考慮，在設(shè)計(jì)周期的各個(gè)階段采用不同的方法技術(shù)來(lái)確保設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)，從而設(shè)計(jì)出合理的，性能優(yōu)良的高頻PCB 來(lái)。