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PCB LAYOUT中高频电路布线的排版技巧

作者:dolphin时间:2016-09-20

  1.多层板布线
  
  高频电路往往集成度较高,布线密度大,采用多层板既是布线所必须的,也是降低干扰的有效手段。在PCBLAYOUT阶段,合理选择一定层数的印制版能大幅度降低印制板尺寸,能充分利用中间层来设置屏蔽,更好地实现就近接地,并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度,同时还能大幅度地降低信号间的交叉干扰等,所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。有资料显示,同种材料时,四层板要比双面板的噪声低20dB。但是,同时也存在一个问题,PCB板层数越高,制造工艺越复杂,单位成本也就越高,这就要求我们在进行PCBLAYOUT时,除了选择合适层数的PCB板,还需要进行合理的元器件布局规划,并采用正确的布线规则来完成设计。
  
  2.高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好
  
  高频电路布线的引线最好采用全直线,需要转折。可用45度折线或圆弧转折,这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固着强度,而在高频电路中,满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互问的耦合。
  
  3.高频电路器件管脚间的引线越短越好
  
  信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的,高频的信号引线越长,它就越容易耦合到靠近它的元器件上去,所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据线、LVDS线、LISB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。

  4.高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好
  
  所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好。据测,一个过孔可带来约0.5 pF的分布电容,减少过孔数能显着提高速度和减少数据出错的可能性。
  
  5.注意信号线近距离平行走线引入的“串扰”
  
  高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“串扰”,串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。由于高频信号沿着传输线是以电磁波的形式传输的,信号线会起到天线的作用,电磁场的能量会在传输线的周围发射,信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声信号称为串扰(Crosstalk)。PCB板层的参数、信号线的间距、驱动端和接收端的电气特性以及信号线端接方式对串扰都有一定的影响。所以为了减少高频信号的串扰,在布线的时候要求尽可能做到以下几点:
  
  ①在布线空间允许的条件下,在串扰较严重的两条线之间插入一条地线或地平面,可以起到隔离的作用而减小串扰。
  
  ②当信号线周围的空间本身就存在时变的电磁场时,若无法避免平行分布,可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰。
  
  ③在布线空间许可的前提下,加大相邻信号线之间的间距,减小信号线的平行长度,时钟线尽量与关键信号线垂直而不要平行。
  
  ④如果同一层内的平行走线几乎无法避免,在相邻的两个层。走线的方向务必取为相互垂直。如下图所示。
  
  ⑤在数字电路中,通常的时钟信号都是边沿变化快的信号,对外串扰大。所以在设计中。时钟线宜用地线包围起来并多打地线孔来减少分布电容,从而减少串扰。
  
  ⑥对高频信号时钟尽量使用低电压差分时钟信号并包地的方式。需要注意包地打孔的完整性。
  
  ⑦闲置不用的输入端不要悬空,而是将其接地或接电源(电源在高频信号回路中也是地),因为悬空的线有可能等效于发射天线,接地就能抑制发射。
  
  实践证明,用这种办法消除串扰有时能立即见效。

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  6.集成电路块的电源引脚增加高频退耦电容
  
  每个集成电路块的电源引脚就近增加一个高频退耦电容。增加电源引脚的高频退耦电容。可以有效地抑制电源引脚上高频谐波形成的干扰。
  
  7.高频数字信号的地线和模拟信号地线做隔离
  
  模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流磁珠连接或者直接隔离并选择合适的地方单点互联。高频数字信号地线的地电位和模拟地线的地电位一般是不一致的,两者问常常存在一定的电压差,而且,高频数字信号的地线还常常带有非常丰富的高频信号的谐波分量,当直接连接数字信号地线和模拟信号地线时,高频信号的谐波就会通过地线耦合的方式对模拟信号进行干扰。所以通常情况下,对于高频数字信号的地线和模拟信号的地线是要做隔离的,可以采用在合适位置单点互联的方式,或者采用高频扼流磁珠互联的方式。
  
  如下图所示,把晶振外围的地线和模拟信号的地线进行隔离,防止晶振的高频谐波耦合到模拟信号上去。

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  8.避免走线形成环路
  
  各类高频信号走线尽量不要形成环路,若无法避免则应使环路面积尽量小。
  
  9.必须保证良好的信号阻抗匹配
  
  信号在传输的过程中,当阻抗不匹配的时候。信号就会在传输通道中发生信号的反射,反射会使合成信号形成过冲,导致信号波形在逻辑门限附近波动,如下图所示。信号在跳变的过程中可能跨越逻辑电平门限,多次跨越逻辑电平门限则会导致逻辑功能紊乱。
  
  消除反射的根本办法是使传输信号的阻抗良好匹配。由于负载阻抗与传输线的特性阻抗相差越大反射也越大,所以应尽可能使信号传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。同时还要注意PCB上的传输线不能出现突变或拐角,尽量保持传输线各点的阻抗连续,否则在传输线的各段之间也将会出现反射。这就要求在进行高速PCB布线,如HDMI布线、LJSB布线、DDR布线、LVDS布线等等一些高速高频信号布线时,必须要遵守如下的布线规则:

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  ①USB布线规则。要求LISB信号差分走线,线宽为10miI,线距6miI,地线和信号间距6mil。
  
  ②H4DMI布线规则。要求卜4DMI信号差分走线,线宽为10miI,线距6miI,每两组卜IDMI差分信号对的间距超过20rn_l(2W原则,W是指导线的宽度,即导线间距不小于2倍信号线宽度)。
  
  3、LVDS布线规则。要求LVDS信号差分走线,线宽为7mil,线距6mil,目的是控制HDMl的差分信号对阻抗为100±15%Ω,如下图所示。
  
  ④DDR布线规则。原则上,DDRl走线要求信号尽量不走钻孔,信号线等宽,线与线等距,走线必须满足2W原则,以减小信号间的串扰,对于DDR2及以上的高速器件,还要求高频数据走线等长,以保证信号的阻抗匹配。

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  10.保持信号传输的完整性,防止由于地线分割引起的“地弹现象”
  
  地弹(groundbounrICe)通常包括电压跌落和接地反弹,以DDR芯片为例,当系统同时转换多个引脚的逻辑状态时,会产生较大的瞬态电流,导致电源线上和地线上电压的波动,电源电压跌落和接地反弹使信号沿出现平台。反弹是噪声来源之一,还可能使时序发生偏移。反弹的噪声影响着阈值的判断,严重时会使系统产生误动作。
  
  要抑制反弹的影响,首先是想办法减小电源的摆幅,尽量选用性能好的电源,或者用增加TEMI—NATOR(微电压稳压模块)的方式,同时在PCB布局时可对系统进行分割,尽量减小系统中的各种电源之间的互相影响,如数字电源和模拟电源恰当地分区,高速部分与低速部分恰当地分区,分割的目的是要重点保护高速部分。抑制反弹的另一办法是降低PCB端的分布电感量。由于电感会随导体的增长而增大,随导体宽度增长而减少,所以高速DDR电路接地回路应尽量宽广,减少其接地端回路的电感量。
  
  尽量在PCB的顶层和底层大面积铺铜,这些措施对解决反弹都能起到积极有效的作用。



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