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印制電路板（PCB）布線在高速電路中具有關(guān)鍵的作用，但它常常是電路設(shè)計(jì)過程的最后幾個(gè)步驟之一。 高速PCB布線有很多方面的問題，關(guān)于這個(gè)標(biāo)題已有人撰寫了大量的文獻(xiàn)。本文主要從理論的角度來討論高速電路的布線問題。主要目的在于協(xié)助新用戶當(dāng)設(shè)計(jì)高 速電路PCB布線時(shí)對(duì)需求思索的多種不同問題惹起留意。另一個(gè)目的是為曾經(jīng)有一段時(shí)間沒接觸PCB布線的客戶提供一種溫習(xí)材料。由于版面有限，本文不可能 細(xì)致地闡述一切的問題，但是我們將討論對(duì)進(jìn)步電路性能、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、儉省修正時(shí)間具有最大效果的關(guān)鍵局部。

固然這里主要針對(duì)與高速運(yùn) 算放大器有關(guān)的電路，但是這里所討論的問題和辦法對(duì)用于大多數(shù)其它高速模仿電路的布線是普遍適用的。當(dāng)運(yùn)算放大器工作在很高的射頻（RF）頻段時(shí)，電路的 性能很大水平上取決于PCB布線�！皥D紙”上看起來很好的高性能電路設(shè)計(jì)，假如由于布線時(shí)大意馬虎遭到影響，最后只能得到普通的性能。在整個(gè)布線過程中預(yù) 先思索并留意重要的細(xì)節(jié)會(huì)有助于確保預(yù)期的電路性能。

原理圖

雖然優(yōu)秀的原理圖不 能保證好的布線，但是好的布線開端于優(yōu)秀的原理圖。在繪制原理圖時(shí)要深思熟慮，并且必需思索整個(gè)電路的信號(hào)流向。假如在原理圖中從左到右具有正常穩(wěn)定的信 號(hào)流，那么在PCB上也應(yīng)具有同樣好的信號(hào)流。在原理圖上盡可能多給出有用的信息。由于有時(shí)分電路設(shè)計(jì)工程師不在，客戶會(huì)請(qǐng)求我們協(xié)助處理電路的問題，從 事此工作的設(shè)計(jì)師、技術(shù)員和工程師都會(huì)十分感謝，也包括我們。

除了普通的參考標(biāo)識(shí)符、功耗和誤差容限外，原理圖中還應(yīng)該給出哪些信息 呢？下面給出一些倡議，能夠?qū)⑵胀ǖ脑�理圖變成一流的原理圖。參加波形、有關(guān)外殼的機(jī)械信息、印制線長度、空白區(qū)；標(biāo)明哪些元件需求置于PCB上面；給出 調(diào)整信息、元件取值范圍、散熱信息、控制阻抗印制線、注釋、扼要的電路動(dòng)作描繪……（以及其它）。

誰都別信

假如不是你本人設(shè)計(jì)布線，一定要留出富余的時(shí)間認(rèn)真檢查布線人的設(shè)計(jì)。在這點(diǎn)上很小的預(yù)防抵得上一百倍的彌補(bǔ)。不要希望布線的人能了解你的想法。在布線 設(shè)計(jì)過程的初期你的意見和指導(dǎo)是最重要的。你能提供的信息越多，并且整個(gè)布線過程中你介入的越多，結(jié)果得到的PCB就會(huì)越好。給布線設(shè)計(jì)工程師設(shè)置一個(gè)暫 定的完成點(diǎn)——依照你想要的布線停頓報(bào)告快速檢查。這種“閉合環(huán)路”辦法能夠避免布線誤入歧途，從而將返工的可能性降至最低。

需求給布 線工程師的指示包括：電路功用的簡短描繪，標(biāo)明輸入和輸出位置的PCB略圖，PCB層疊信息（例如，板子有多厚，有幾層，各信號(hào)層和接地平面的細(xì)致信息 ——功耗、地線、模仿信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)）；各層需求那些信號(hào)；請(qǐng)求重要元件的放置位置；旁路元件確實(shí)切位置；哪些印制線很重要；哪些線路需求控制 阻抗印制線；哪些線路需求匹配長度；元件的尺寸；哪些印制線需求彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些線路需求彼此遠(yuǎn)離（或靠近）；哪些元器件需求彼此遠(yuǎn)離（或靠 近）；哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面。永遠(yuǎn)不要埋怨需求給他人的信息太多——太少嗎？是；太多嗎？不。

一條學(xué)習(xí)經(jīng)歷：大 約10年前，我設(shè)計(jì)一塊多層的外表貼電路板——板子的兩面都有元件。用很多螺釘將板子固定在一個(gè)鍍金的鋁制外殼中（由于有很嚴(yán)厲的防震指標(biāo)）。提供偏置饋 通的引腳穿過板子。該引腳是經(jīng)過焊接線銜接到PCB上的。這是一個(gè)很復(fù)雜的安裝。板子上的一些元件是用于測試設(shè)定（SAT）的。但是我曾經(jīng)明白規(guī)則了這些 元件的位置。你能猜出這些元件都裝置在什么中央嗎？對(duì)了，在板子的下面。當(dāng)產(chǎn)品工程師和技術(shù)員不得不將整個(gè)安裝拆開，完成設(shè)定后再將它們重新組裝的時(shí)分， 顯得很不快樂。從那以后我再也沒有犯過這種錯(cuò)誤了。

位置

正像在PCB中，位置決議一切。將一個(gè)電路放在PCB上的什么位置，將其詳細(xì)的電路元件裝置在什么位置，以及其相鄰的其它電路是什么，這一切都十分重要。

通常，輸入、輸出和電源的位置是預(yù)先肯定好的，但是它們之間的電路就需求“發(fā)揮各自的發(fā)明性”了。這就是為什么留意布線細(xì)節(jié)將產(chǎn)生宏大報(bào)答的緣由。從關(guān) 鍵元件的位置動(dòng)手，依據(jù)詳細(xì)電路和整個(gè)PCB來思索。從一開端就規(guī)則關(guān)鍵元件的位置以及信號(hào)的途徑有助于確保設(shè)計(jì)到達(dá)預(yù)期的工作目的。一次就得到正確的設(shè) 計(jì)能夠降低本錢和壓力——也就縮短了開發(fā)周期。

旁路電源

在放大器的電源端旁路電源以便降低噪聲是PCB設(shè)計(jì)過程中一個(gè)很重要的方面——包括對(duì)高速運(yùn)算放大器還是其它的高速電路。旁路高速運(yùn)算放大器有兩種常用的配置辦法。

電源端接地：這種辦法在大多數(shù)狀況下都是最有效的，采用多個(gè)并聯(lián)電容器將運(yùn)算放大器的電源引腳直接接地。普通說來兩個(gè)并聯(lián)電容就足夠了——但是增加并聯(lián)電容器可能給某些電路帶來好處。

并聯(lián)不同的電容值的電容器有助于確保電源引腳在很寬的頻帶上只能看到很低的交流（AC）阻抗。這關(guān)于在運(yùn)算放大器電源抑止比（PSR）衰減頻率處特別重 要。該電容器有助于補(bǔ)償放大器降低的PSR。在許多十倍頻程范圍內(nèi)堅(jiān)持低阻抗的接地通路將有助于確保有害的噪聲不能進(jìn)入運(yùn)算放大器。圖1示出了采用多個(gè)并 聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)。在低頻段，大的電容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦頻率到達(dá)了它們本身的諧振頻率，電容器的容性就會(huì)削弱，并且逐步呈現(xiàn)出理性。這就是 為什么采用多個(gè)電容器是很重要的緣由：當(dāng)一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)開端降落時(shí)，另一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)開端其作用，所以能在許多十倍頻程范圍內(nèi)堅(jiān)持很低的AC 阻抗。

圖1. 電容器的阻抗與頻率的關(guān)系。

直接從運(yùn)算放大器的電源引腳動(dòng)手；具有最小電容值和最小物理尺寸的電容器應(yīng)當(dāng)與運(yùn)算放大器置于PCB的同一面——而且盡可能靠近放大器。電容器的接地端 應(yīng)該用最短的引腳或印制線直接連至接地平面。上述的接地銜接應(yīng)該盡可能靠近放大器的負(fù)載端以便減小電源端和接地端之間的干擾。圖2示出了這種銜接辦法。

圖2. 旁路電源端和地的并聯(lián)電容器。

關(guān)于次大電容值的電容器應(yīng)該反復(fù)這個(gè)過程。最好從0.01 µF最小電容值開端放置，并且靠近放置一個(gè)2.2 µF（或大一點(diǎn)兒）的具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電解電容器。采用0508外殼尺寸的0.01 µF電容用具有很低的串聯(lián)電感和優(yōu)秀的高頻性能。

電源端到電源端：另外一種配置辦法采用一個(gè)或多個(gè)旁路電容跨接在運(yùn)算放大器的正電源端和負(fù)電源端之間。當(dāng)在電路中配置四個(gè)電容器很艱難的狀況下通常采用 這種辦法。它的缺陷是電容器的外殼尺寸可能增大，由于電容器兩端的電壓是單電源旁路辦法中電壓值的兩倍。增大電壓就需求進(jìn)步器件的額定擊穿電壓，也就是要 增大外殼尺寸。但是，這種辦法能夠改良PSR和失真性能。

由于每種電路和布線都是不同的，所以電容器的配置、數(shù)量和電容值都要依據(jù)實(shí)踐電路的請(qǐng)求而定。

寄生效應(yīng)

所謂寄生效應(yīng)就是那些溜進(jìn)你的PCB并在電路中大施毀壞、頭痛令人、緣由不明的小毛病（依照字面意義）。它們就是滲入高速電路中躲藏的寄生電容和寄生電 感。其中包括由封裝引腳和印制線過長構(gòu)成的寄生電感；焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間構(gòu)成的寄生電容；通孔之間的互相影響，以及許多其它可能 的寄生效應(yīng)。圖3（a）示出了一個(gè)典型的同相運(yùn)算放大器原理圖。但是，假如思索寄生效應(yīng)的話，同樣的電路可能會(huì)變成圖3（b）那樣。

圖3. 典型的運(yùn)算放大器電路，（a）原設(shè)計(jì)圖，（b）思索寄生效應(yīng)后的圖。

在高速電路中，很小的值就會(huì)影響電路的性能。有時(shí)分幾十個(gè)皮法（pF）的電容就足夠了。相關(guān)實(shí)例：假如在反相輸入端僅有1 pF的附加寄生電容，它在頻率域能夠惹起差不多2 dB的尖脈沖（見圖4）。假如寄生電容足夠大的話，它會(huì)惹起電路的不穩(wěn)定和振蕩。

圖4. 由寄生電容惹起的附加尖脈沖。

當(dāng)尋覓有問題的寄生源時(shí)，可能用得著幾個(gè)計(jì)算上述那些寄生電容尺寸的根本公式。公式（1）是計(jì)算平行極板電容器（見圖5）的公式。

（1）

C表示電容值，A表示以cm2為單位的極板面積，k表示PCB資料的相對(duì)介電常數(shù)，d表示以cm為單位的極板間間隔。

圖5. 兩極板間的電容。

帶狀電感是另外一種需求思索的寄生效應(yīng)，它是由于印制線過長或缺乏接地平面惹起的。式（2）示出了計(jì)算印制線電感（Inductance）的公式。參見圖6。

（2）

W表示印制線寬度，L表示印制線長度，H表示印制線的厚度。全部尺寸都以mm為單位。

圖6. 印制線電感。

圖7中的振蕩示出了高速運(yùn)算放大器同相輸入端長度為2.54 cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29 nH（10－9H），足以形成持續(xù)的低壓振蕩，會(huì)持續(xù)到整個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)周期。圖7還示出了如何應(yīng)用接地平面來減小寄生電感的影響。

圖7. 有接地平面和沒有接地平面的脈沖響應(yīng)。

通孔是另外一種寄生源；它們能惹起寄生電感和寄生電容。公式（3）是計(jì)算寄生電感的公式（參見圖8）。

（3）

T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。

圖8. 通孔尺寸。

公式（4）示出了如何計(jì)算通孔（參見圖8）惹起的寄生電容值。

（4）

εr表示PCB資料的相對(duì)磁導(dǎo)率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤直徑。D2表示接地平面中隔離孔的直徑。一切尺寸均以cm為單位。在一塊0.157 cm厚的PCB上一個(gè)通孔就能夠增加1.2 nH的寄生電感和0.5 pF的寄生電容；這就是為什么在給PCB布線時(shí)一定要時(shí)辰堅(jiān)持警戒的緣由，要將寄生效應(yīng)的影響降至最小。

接地平面

實(shí)踐上需求討論的內(nèi)容遠(yuǎn)不止本文提到的這些，但是我們會(huì)重點(diǎn)突出一些關(guān)鍵特性并鼓舞讀者進(jìn)一步討論這個(gè)題。本文的最后列出有關(guān)的參考文獻(xiàn)。

接地平面起到公共基準(zhǔn)電壓的作用，提供屏蔽，可以散熱和減小寄生電感（但它也會(huì)增加寄生電容）的功用。固然運(yùn)用接地平面有許多益處，但是在完成時(shí)也必需當(dāng)心，由于它對(duì)可以做的和不可以做的都有一些限制。

理想狀況下，PCB有一層應(yīng)該特地用作接地平面。這樣當(dāng)整個(gè)平面不被毀壞時(shí)才會(huì)產(chǎn)生最好的結(jié)果。千萬不要挪用此專用層中接地平面的區(qū)域用于銜接其它信 號(hào)。由于接地平面能夠消弭導(dǎo)體和接地平面之間的磁場，所以能夠減小印制線電感。假如毀壞接地平面的某個(gè)區(qū)域，會(huì)給接地平面上面或下面的印制線引入意想不到 的寄生電感。

由于接地平面通常具有很大的外表積和橫截面積，所以使接地平面的電阻堅(jiān)持最小值。在低頻段，電流會(huì)選擇電阻最小的途徑，但是在高頻段，電流會(huì)選擇阻抗最小的途徑。

但是也有例外，有時(shí)分小的接地平面會(huì)更好。假如將接地平面從輸入或者輸出焊盤下挪開，高速運(yùn)算放大器會(huì)更好地工作。由于在輸入端的接地平面引入的寄生電 容，增加了運(yùn)算放大器的輸入電容，減小了相位裕量，從而形成不穩(wěn)定性。正如在寄生效應(yīng)一節(jié)的討論中所看到的，運(yùn)算放大器輸入端1 pF的電容能惹起很明顯的尖脈沖。輸出端的容性負(fù)載——包括寄生的容性負(fù)載——形成了反應(yīng)環(huán)路中的極點(diǎn)。這會(huì)降低相位裕量并形成電路變得不穩(wěn)定。

假如有可能的話，模仿電路和數(shù)字電路——包括各自的地和接地平面——應(yīng)該分開�？焖俚纳仙�沿會(huì)形成電流毛刺流入接地平面。這些快速的電流毛刺惹起的噪聲 會(huì)毀壞模仿性能。模仿地和數(shù)字地（以及電源）應(yīng)該被銜接到一個(gè)共用的接地點(diǎn)以便降低循環(huán)活動(dòng)的數(shù)字和模仿接地電流和噪聲。

在高頻段，必需思索一種稱為“趨膚效應(yīng)”的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)會(huì)惹起電流流導(dǎo)游線的表面面——結(jié)果會(huì)使得導(dǎo)線的橫截面變窄，因而使直流（DC）電阻增大。固然趨膚效應(yīng)超出了本文討論的范圍，這里還是給出銅線中趨膚深度（Skin Depth）的一個(gè)很好的近似公式（以cm為單位）：

（5）

低靈活度的電鍍金屬有助于減小趨膚效應(yīng)。

布線和屏蔽

PCB上存在各種各樣的模仿和數(shù)字信號(hào)，包括從高到低的電壓或電流，從DC到GHz頻率范圍。保證這些信號(hào)不互相干擾是十分艱難的。

回憶前面“誰都別信”局部的倡議，最關(guān)鍵的是預(yù)先考慮并且為了如何處置PCB上的信號(hào)制定出一個(gè)方案。重要的是留意哪些信號(hào)是敏感信號(hào)并且肯定必需采取 何種措施來保證信號(hào)的完好性。接地平面為電信號(hào)提供一個(gè)公共參考點(diǎn)，也能夠用于屏蔽。假如需求停止信號(hào)隔離，首先應(yīng)該在信號(hào)印制線之間留出物理間隔。下面 是一些值得自創(chuàng)的理論經(jīng)歷：

減小同一PCB中長并聯(lián)線的長度和信號(hào)印制線間的接近水平能夠降低電感耦合。減小相鄰層的長印制線長度能夠 避免電容耦合。需求高隔離度的信號(hào)印制線應(yīng)該走不同的層而且——假如它們無法完整隔離的話——應(yīng)該走正交印制線，而且將接地平面置于它們之間。正交布線可 以將電容耦合減至最小，而且地線會(huì)構(gòu)成一種電屏蔽。在構(gòu)成控制阻抗印制線時(shí)能夠采用這種辦法。高頻（RF）信號(hào)通常在控制阻抗印制線上活動(dòng)。就是說，該印 制線堅(jiān)持一種特征阻抗，例如50Ω（RF應(yīng)用中的典型值）。兩種最常見的控制阻抗印制線，微帶線4和帶狀線5都能夠到達(dá)相似的效果，但是完成的辦法不同。

微帶控制阻抗印制線，如圖13所示，能夠用在PCB的恣意一面；它直接采用其下面的接地平面作為其參考平面。

圖13. 微帶傳輸線。

公式（6）能夠用于計(jì)算一塊FR4板的特征阻抗。

（6）

H表示從接地平面到信號(hào)印制線之間的間隔，W表示印制線寬度，T表示印制線厚度；全部尺寸均以密耳（mils）（10-3英寸）為單位。εr表示PCB資料的介電常數(shù)。

帶狀控制阻抗印制線（參見圖14）采用了兩層接地平面，信號(hào)印制線夾在其中。這種辦法運(yùn)用了較多的印制線，需求的PCB層數(shù)更多，對(duì)電介質(zhì)厚度變化敏感，而且本錢更高——所以通常只用于請(qǐng)求嚴(yán)厲的應(yīng)用中。

圖14. 帶狀控制阻抗印制線。

用于帶狀線的特征阻抗計(jì)算公式如公式（7）所示。

（7）

維護(hù)環(huán)，或者說“隔離環(huán)”，是運(yùn)算放大器常用的另一種屏蔽辦法，它用于避免寄生電流進(jìn)入敏感結(jié)點(diǎn)。其根本原理很簡單——用一條維護(hù)導(dǎo)線將敏感結(jié)點(diǎn)完整包 圍起來，導(dǎo)線堅(jiān)持或者迫使它堅(jiān)持（低阻抗）與敏感結(jié)點(diǎn)相同的電勢，因而使吸收的寄生電流遠(yuǎn)離了敏感結(jié)點(diǎn)。圖15（a）示出了用于運(yùn)算放大器反相配置和同相 配置中的維護(hù)環(huán)的原理圖。圖15（b）示出用于SOT-23-5封裝中兩種維護(hù)環(huán)的典型布線辦法。

圖15. 維護(hù)環(huán)。（a）反相和同相工作。（b）SOT-23-5封裝。

還有很多其它的屏蔽和布線辦法。欲取得有關(guān)這個(gè)問題和上述其它標(biāo)題的更多信息，倡議讀者閱讀下列參考文獻(xiàn)。

結(jié)論

高程度的PCB布線對(duì)勝利的運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)是很重要的，特別是對(duì)高速電路。一個(gè)好原理圖是好的布線的根底；電路設(shè)計(jì)工程師和布線設(shè)計(jì)工程師之間的緊 密配合是基本，特別是關(guān)于器件和接線的位置問題。需求思索的問題包括旁路電源，減小寄生效應(yīng)，采用接地平面，運(yùn)算放大器封裝的影響，以及布線和屏蔽的方 法。