高頻PCB板制作技巧

楊小平 曹建峰

摘 要：隨著光纖通信、高速以太網等網絡及智能化嵌入終端產品的不斷推出，信息處理的速度越來越高，這對PCB板材、布局、布線工藝提出了更高的要求。文章主要就高頻PCB板布線工藝進行了探討，以適應信息處理的高速化要求。

關鍵詞：高頻；布線；工藝；PCB板；高速化

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

PCB（Printed Circuit Board，PCB）板是電子產品的重要電子部件之一，是電子元器件的支撐體，也是電子元器件電氣連接的載體。在制作PCB板的過程中，有很多理論上成立的東西，但在工程中卻難以實現，尤其在PCB板上存在高頻信號和微弱信號的處理時。當PCB板上的信號超過40 MHz時，應該對這些信號線進行特殊的處理。對于更高頻率的PCB板，其布線長度、方向和寬度等均有更嚴格的特殊要求。例如ECL（Emitter Coupled Logic，ECL）等高速數字邏輯門電路，其門傳輸速度非常高，會在門電路間產生較大的反射信號，在相鄰信號線間就會產生相應的串擾，且反射信號會隨著門傳輸速度的提高而增加。此外，由于高速電路的頻率較高，功耗和熱耗散比較大。因此，在做高速PCB板時需從布局、布線方面重視此問題。本文主要針對高頻PCB板的布局、布線、電源等方面，應用具體實例介紹相關的制作技術和方法。

1 元器件布局

制作PCB板時，首先要考慮元器件間的電性能。考慮布線方便和產品的整體性能，在布局時應該把電氣關系緊密的元器件盡量靠近，特別針對一些頻率較高的元器件間的布線，這些元器件間的連線比較短。對于大功率器件，應盡量和一些小信號器件分開布局，減小對小信號器件的干擾。滿足電性能后再考慮其它方面的布局因素。

在高速系統中，首先考慮接地和互連線上的傳輸延遲時間。系統速度受信號線上的傳輸時間影響很大。雖然集成電路內部處理速度很快，但由于PCB板上普通互連線上的延遲時間較長，導致系統總延遲時間增加，進而導致系統整體速度下降，這一點在高速移位寄存器、同步計數器等同步器件上尤為明顯。因此，如果系統由多塊PCB板組成，對于擁有這些特性的高速器件應盡量放在同一個PCB板上，從而避免出現因主PCB板至不同插件板上的時鐘信號傳輸延遲時間不相等而導致移位寄存器等器件產生移位錯誤的問題。如在高速以太網布局中，以太網芯片DM9000和PH163539的抗干擾電阻電容要盡量貼在芯片周圍。

此外，有些特殊元器件在布局布線時有特殊的要求，比如模擬電路中的小信號放大器電路，由于處理的是微弱信號，信號易受干擾，如電源噪聲、功率器件等，因此要選用穩壓效果較好的電源，同時這些器件應盡量遠離大功率器件。如果距離增大了還不能滿足要求，則要考慮為這些小信號放大器件進行電磁隔離。對于采用ECL（Emitter Coupled Logic，ECL）工藝的芯片而言，如GLINK芯片，其頻率高，功耗大，散熱要求高，所以在元器件布局時就應考慮散熱的問題，如布局在PCB板邊緣，利用設備金屬外殼或過熱孔散熱。這些問題在普通PCB板布局時應該注意，在高頻PCB板中更要特別重視，可能會導致由于某個器件因布局不合理而致使整個設備無法工作。

2 地線、電源的處理

如果高頻PCB板上的地線、電源布局不合理，可能會產生電磁干擾，導致產品的性能下降，嚴重情況下可能會導致產品無法正常工作。所以要盡量將電源和地線所產生的噪聲干擾降到最低限度，從而保證產品的可靠性。

在電源線與地線之間噪聲干擾的主要產生原因是地與電源之間的間隙電容，特別在高頻中，電路公式為：

XC=1/（ωC）=1/（2πfC） （1）

式中：XC為電容容抗值；ω為角頻率；π為3.14；f為信號頻率；C為電容值，單位為法拉。

從式（1）中可以看出，地與電源之間的間隙電容越大，其容抗就越小，噪聲干擾也就產生了。可采用以下方法降低地與電源之間的噪聲：

（1）增加線寬，降低噪聲；

（2）共地處理，降低模數干擾；

（3）在電源或地線層上進行信號線布線。

2.1 增加線寬，降低噪聲

加寬電源、地線寬度，能有效的抑制噪聲。地線、電源線和信號線線寬的要求是：地線>電源線>信號線。數字電路中，在PCB板上空余的地方采用大面積覆銅處理。在圖1所示的物聯網綜合實訓臺底板PCB板中的空余處進行了大面積覆銅處理，形成了一個地線網絡，大大增加了地線的有效寬度，但模擬電路的地不能這樣處理。在頻率較高時，也可以把PCB板做成多層板，電源、地線各占用一層，還可以在電源、地線之間加上去耦合電容，進一步降低地與電源之間的噪聲。

2.2 共地處理，降低模數干擾

許多PCB板都是數字電路和模擬電路組成的混合電路，數模混合電路的地線間因為信號特性的不同，會相互干擾，因此在布線時要考慮它們之間互相干擾的問題，尤其是地線上的噪聲干擾。

模擬電路由于處理的是小信號，因此一般比較敏感，而數字電路的頻率高，因此數字電路中的高頻信號線要盡可能遠離敏感的模擬器件電路。一般設備電源插座只有一根對外地線，即設備對外界只有一個接地接點。而PCB板上的數字地和模擬地是分開的，因此必須在PCB板上進行數、模共地處理。從而減小混合電路帶來的噪聲干擾。

2.3 在電源或地線層上進行信號線布線

在多層印制板中，一般設置信號層進行信號線布線，但有時會有少量的信號線在信號層無法布完，當然，在信號線層沒有布完的信號線不會很多，如果在PCB板上多加信號層，會給生產增加一定的工作量和難度，成本也會增加。針對此種情況，可以考慮把少量的信號線布在電源層或地線層上。此時，首先應考慮電源層，其次才是地線層，這樣能保留地線層的完整性。通過減少PCB板的層數也能降低電源與地線間的噪聲。

3 布線注意事項

在高頻PCB板布線時，由于平行信號線會產生較大的串擾，增加線間距能有效減小串擾，因此平行信號線間需保持較大的間隔。在兩條較近的平行信號線間布一條地線，既能增加信號線的間距，又能使PCB板的布線密度保持不變。地線能起到較好的屏蔽作用，從而大大減小由于平行信號線帶來的串擾問題。在布線時要避免銳角急拐彎，銳角急拐彎會使傳輸線的特性阻抗產生突變，致使信號線上產生反射信號，因此信號線一般作圓角或鈍角轉彎處理。高阻抗能抑制信號線上的干擾，要想得到大的特性阻抗，線寬要求窄，但由于細線不容易制作，綜合考慮延遲時間和功耗，一般微帶線和帶狀線選擇68 Ω左右的阻抗值。此時各方面性能達到最佳平衡。根據阻抗值和微帶線、帶狀線的特性計算公式就能得到線寬。

以由無錫職業技術學院獨立自主開發的2012、2013、2014年江蘇省高職院校物聯網技能大賽指定產品--物聯網綜合實訓臺的底板為例，具體如圖1所示。此底板是實訓臺的核心部件，設備的高頻部分均在此底板上。底板是專為FRIENDLY ARM MICRO2440核心板配套的。以板上的網絡部分舉例，系統采用了DM9000網絡控制芯片，它是100 M/10 M自適應的網絡芯片，此部分頻率較高，對布局、布線要求較高，把DM9000放在ARM核心板和RJ45網口間，減小各部分線的長度。布線應重點注意從芯片出來的RX+/TX+，RX-/TX-差分線對，應保持等長、緊靠、平行，避免交叉。差分線周圍不布其他信號線，要求差分線包地處理，包地的周圍隔一段距離就要打地孔。布線中，差分線應該優先布，二組差分線布線的好壞輕則影響網卡的網絡速度，重則導致網卡無法正常工作。布線時，數據線盡量保持等長，如圖1所示。此外，在數據線和其他信號線之間用地隔離可以防止干擾。

4 其它注意事項

不同材質的PCB板對信號的衰減、寄生電容等電特性不同，對于高頻PCB板而言，應選用聚四氟乙烯材質作為PCB板的介質層，可以有效降低高頻衰耗和PCB板不同層面間的寄生電容，對布線的傳輸速度影響小，同時，由于電路輸入阻抗Z0較小，整個電路的功耗較小。如果是多層板，不同層面的信號線要互相垂直，減小分布電容，降低信號串擾。大電流器件會產生較大的信號干擾，尤其是對于如喇叭、繼電器、功率管等小信號模擬器件，把它們的地線分開單獨走，以減少對小信號器件的干擾。當高速電路中有相對較長的線，可利用TTL對快速下降邊沿采用肖特基二極管箝位方法，減少后級電路的反沖幅度，在高頻電路中，要盡量避免上升邊緣的過沖現象，采用肖特基二極管箝位，通過箝位使上升邊緣的過沖在高電平狀態下被相對高的輸出阻抗所衰減。此外，高電平狀態下的電路和器件的抗干擾能力較強，此問題不會太突出。對于更高速的HCT（高速COMS邏輯門系列）器件，采用肖特基二極管箝位和串聯電阻端接方法相結合的方法，能更加明顯地改善邊緣反沖的效果。

5 結 語

文中僅提出了高頻PCB板制作時需要重點注意的幾點問題，要設計一塊正常工作的高頻PCB板還需要多實踐，不斷在解決問題的過程中提高自己，通過不斷努力掌握高頻PCB板的設計工藝。

參考文獻

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