隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,PCB(印制電路板)的復(fù)雜程度,、適用范圍有了飛速的發(fā)展,。從事高頻PCB的設(shè)計(jì)者必須具有相應(yīng)的基礎(chǔ)理論知識,同時(shí)還應(yīng)具有豐富的高頻PCB的制作經(jīng)驗(yàn)。也就是說,無論是原理圖的繪制,還是PCB的設(shè)計(jì),都應(yīng)當(dāng)從其所在的高頻工作環(huán)境去考慮,才能夠設(shè)計(jì)出較為理想的PCB,。本文主要從高頻PCB的手動(dòng)布局,、布線兩個(gè)方面,基于Protel99SE對在高頻PCB設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行研究。

　　1布局的設(shè)計(jì)

　　Protel99SE 雖然具有自動(dòng)布局的功能,但并不能完全滿足高頻電路的工作需要,往往要憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)具體情況,先采用手工布局的方法優(yōu)化調(diào)整部分元器件的位置, 再結(jié)合自動(dòng)布局完成PCB的整體設(shè)計(jì),。布局的合理與否直接影響到產(chǎn)品的壽命,、穩(wěn)定性、EMC(電磁兼容)等,必須從電路板的整體布局,、布線的可通性和 PCB的可制造性,、機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱,、EMI(電磁干擾),、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮,。

　　一般先放置與機(jī)械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件,。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,信號線的布線才能盡可能短,從而降低信號線的交叉干擾等。

　　1.1與機(jī)械尺寸有關(guān)的定位插件的放置

　　電源插座,、開關(guān)、PCB之間的接口,、指示燈等都是與機(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,并與PCB邊緣要有 3mm～5mm的間距;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,。

　　1.2特殊元器件的放置

　　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,所以在布局時(shí)應(yīng)充分考慮通風(fēng)和散熱,將這類元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方,。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,否則電解液會被烤干,造成其電阻增大,性能變差,影響電路的穩(wěn)定性。

　　易發(fā)生故障的元器件,如調(diào)整管,、電解電容器,、繼電器等,在放置時(shí)還要考慮到維修方便。對經(jīng)常需要測量的測試點(diǎn),在布置元器件時(shí)應(yīng)注意保證測試棒能夠方便地接觸,。

　　由于電源設(shè)備內(nèi)部會產(chǎn)生50Hz泄漏磁場,當(dāng)它與低頻放大器的某些部分交連時(shí),會對低頻放大器產(chǎn)生干擾,。因此,必須將它們隔離開或者進(jìn)行屏蔽處理,。放大器各級最好能按原理圖排成直線形式,如此排法的優(yōu)點(diǎn)是各級的接地電流就在本級閉合流動(dòng),不影響其他電路的工作。輸入級與輸出級應(yīng)當(dāng)盡可能地遠(yuǎn)離,減小它們之間的寄生耦合干擾,。

　　考慮各個(gè)單元功能電路之間的信號傳遞關(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,在其周圍應(yīng)有適當(dāng)大的空間或進(jìn)行磁屏蔽,以減小對其他電路的影響。

　　在 PCB的關(guān)鍵部位要配置適當(dāng)?shù)母哳l退耦電容,如在PCB電源的輸入端應(yīng)接一個(gè)10μF～100μF的電解電容,在集成電路的電源引腳附近都應(yīng)接一個(gè) 0.01pF左右的瓷片電容,。有些電路還要配置適當(dāng)?shù)母哳l或低頻扼流圈,以減小高低頻電路之間的影響,。這一點(diǎn)在原理圖設(shè)計(jì)和繪制時(shí)就應(yīng)給予考慮,否則也將會影響電路的工作性能。

　　元器件排列時(shí)的間距要適當(dāng),其間距應(yīng)考慮到它們之間有無可能被擊穿或打火,。

　　含推挽電路,、橋式電路的放大器,布置時(shí)應(yīng)注意元器件電參數(shù)的對稱性和結(jié)構(gòu)的對稱性,使對稱元器件的分布參數(shù)盡可能一致。

　　在對主要元器件完成手動(dòng)布局后,應(yīng)采用元器件鎖定的方法,使這些元器件不會在自動(dòng)布局時(shí)移動(dòng),。即執(zhí)行Editchange命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng),。

　　1.3普通元器件的放置

　　對于普通的元器件,如電阻、電容等,應(yīng)從元器件的排列整齊,、占用空間大小,、布線的可通性和焊接的方便性等幾個(gè)方面考慮,可采用自動(dòng)布局的方式。

　　2布線的設(shè)計(jì)

　　布線是在合理布局的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高頻PCB設(shè)計(jì)的總體要求,。布線包括自動(dòng)布線和手動(dòng)布線兩種方式,。通常,無論關(guān)鍵信號線的數(shù)量有多少,首先對這些信號線進(jìn)行手動(dòng)布線,布線完成后對這些信號線布線進(jìn)行仔細(xì)檢查,檢查通過后將其固定,再對其他布線進(jìn)行自動(dòng)布線。即采用手動(dòng)和自動(dòng)布線相結(jié)合來完成PCB的布線,。

　　在高頻PCB的布線過程中應(yīng)特別注意以下幾個(gè)方面問題,。

 　　2.1布線的走向

　　電路的布線最好按照信號的流向采用全直線,需要轉(zhuǎn)折時(shí)可用45°折線或圓弧曲線來完成,這樣可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻信號線的布線應(yīng)盡可能短,。要根據(jù)電路的工作頻率,合理地選擇信號線布線的長度,這樣可以減少分布參數(shù),降低信號的損耗,。制作雙面板時(shí),在相鄰的兩個(gè)層面上布線最好相互垂直、斜交或彎曲相交,。避免相互平行,這樣可以減少相互干擾和寄生耦合,。

　　高頻信號線與低頻信號線要盡可能分開,必要時(shí)采取屏蔽措施,防止相互間干擾。對于接收比較弱的信號輸入端,容易受到外界信號的干擾,可以利用地線做屏蔽將其包圍起來或做好高頻接插件的屏蔽,。同一層面上應(yīng)該避免平行走線,否則會引入分布參數(shù),對電路產(chǎn)生影響,。若無法避免時(shí)可在兩平行線之間引入一條接地的銅箔,構(gòu)成隔離線。

　　在數(shù)字電路中,對于差分信號線,應(yīng)成對地走線,盡量使它們平行,、靠近一些,并且長短相差不大,。

　　2.2布線的形式

　　在 PCB的布線過程中,走線的最小寬度由導(dǎo)線與絕緣層基板之間的粘附強(qiáng)度以及流過導(dǎo)線的電流強(qiáng)度所決定。當(dāng)銅箔的厚度為0.05mm、寬度為 1mm～1.5mm時(shí),可以通過2A電流,。溫度不會高于3℃,除一些比較特殊的走線外,同一層面上的其他布線寬度應(yīng)盡可能一致,。在高頻電路中布線的間距將影響分布電容和電感的大小,從而影響信號的損耗、電路的穩(wěn)定性以及引起信號的干擾等,。在高速開關(guān)電路中,導(dǎo)線的間距將影響信號的傳輸時(shí)間及波形的質(zhì)量,。因此,布線的最小間距應(yīng)大于或等于0.5mm,只要允許,PCB布線最好采用比較寬的線。

　　印制導(dǎo)線與PCB的邊緣應(yīng)留有一定的距離(不小于板厚),這樣不僅便于安裝和進(jìn)行機(jī)械加工,而且還提高了絕緣性能,。

　　布線中遇到只有繞大圈才能連接的線路時(shí),要利用飛線,即直接用短線連接來減少長距離走線帶來的干擾,。

　　含有磁敏元件的電路其對周圍磁場比較敏感,而高頻電路工作時(shí)布線的拐彎處容易輻射電磁波,如果PCB中放置了磁敏元件,則應(yīng)保證布線拐角與其有一定的距離。

　　同一層面上的布線不允許有交叉,。對于可能交叉的線條,可用“鉆”與“繞”的辦法解決,即讓某引線從其他的電阻,、電容、三極管等器件引腳下的空隙處“鉆”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去,。在特殊情況下,如果電路很復(fù)雜,為了簡化設(shè)計(jì),也允許用導(dǎo)線跨接解決交叉問題,。

　　當(dāng)高頻電路工作頻率較高時(shí),還需要考慮布線的阻抗匹配及天線效應(yīng)問題。

　　2.3電源線與地線的布線要求

　　根據(jù)不同工作電流的大小,盡量加大電源線的寬度,。高頻PCB應(yīng)盡量采用大面積地線并布局在PCB的邊緣,可以減少外界信號對電路的干擾;同時(shí),可以使PCB 的接地線與殼體很好地接觸,使PCB的接地電壓更加接近于大地電壓,。應(yīng)根據(jù)具體情況選擇接地方式,與低頻電路有所不同,高頻電路的接地線應(yīng)該采用就近接地或多點(diǎn)接地的方式,接地線短而粗,以盡量減少地阻抗,其允許電流要求能夠達(dá)到3倍于工作電流的標(biāo)準(zhǔn)。揚(yáng)聲器的接地線應(yīng)接在PCB功放輸出級的接地點(diǎn),切勿任意接地,。

　　在布線過程中還應(yīng)該及時(shí)地將一些合理的布線鎖定,以免多次重復(fù)布線,。即執(zhí)行EditselectNet命令在預(yù)布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。

　　3焊盤及敷銅的設(shè)計(jì)

　　3.1焊盤與孔徑

　　在保證布線最小間距不違反設(shè)計(jì)的電氣間距的情況下,焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)較大,以保證足夠的環(huán)寬,。一般焊盤的內(nèi)孔要比元器件的引線直徑稍微大一點(diǎn),設(shè)計(jì)過大,容易在焊接中形成虛焊,。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm,其中d為焊盤內(nèi)孔徑,對于一些密度比較大的PCB,焊盤的最小值可以取(d+1.0)mm。焊盤的形狀通常設(shè)置為圓形,但是對于DIP封裝的集成電路的焊盤最好采用跑道形,這樣可以在有限的空間內(nèi)增大焊盤的面積,有利于集成電路的焊接,。布線與焊盤的連接應(yīng)平滑過渡,即當(dāng)布線進(jìn)入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時(shí),應(yīng)采用補(bǔ)淚滴設(shè)計(jì),。

　　需要注意的是,焊盤內(nèi)孔徑d的大小是不同的,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際元器件引線直徑的大小加以考慮,如元件孔、安裝孔和槽孔等,。而焊盤的孔距也要根據(jù)實(shí)際元器件的安裝方式進(jìn)行考慮,如電阻,、二極管、管狀電容器等元件有 “立式”,、“臥式”兩種安裝方式,這兩種方式的孔距是不同的。此外,焊盤孔距的設(shè)計(jì)還要考慮元器件之間的最小間隙要求,特別是特殊元器件之間的間隙需要由焊盤間的孔距來保證,。

　　在高頻PCB中,還要盡量減少過孔的數(shù)量,這樣既可減少分布電容,又能增加PCB的機(jī)械強(qiáng)度,。總之,在高頻PCB的設(shè)計(jì)中,焊盤及其形狀,、孔徑與孔距的設(shè)計(jì)既要考慮其特殊性,又要滿足生產(chǎn)工藝的要求,。采用規(guī)范化的設(shè)計(jì),既可降低產(chǎn)品成本,又可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)的效率。

 　　3.2敷銅

　　敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力,同時(shí)對于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)樵赑CB的使用中時(shí)間太長時(shí)會產(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)最好采用柵格狀銅箔,并將此柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò)連通,這樣?xùn)鸥駥休^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,。

　　在完成布線,、焊盤和過孔的設(shè)計(jì)后,應(yīng)執(zhí)行DRC(設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)。在檢查結(jié)果中詳細(xì)列出了所設(shè)計(jì)的圖與所定義的規(guī)則之間的差異,可查出不符合要求的網(wǎng)絡(luò),。但是,首先應(yīng)在布線前對DRC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定才可運(yùn)行DRC,即執(zhí)行ToolsDesignRuleCheck命令,。

　　4結(jié)束語

　　高頻電路PCB的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及的因素很多,都可能直接關(guān)系到高頻電路的工作性能。因此,設(shè)計(jì)者需要在實(shí)際的工作中不斷研究和探索,不斷積累經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合新的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的高頻電路PCB,。