從實踐角度探討高速PCB的布線問題

布線和屏蔽

PCB上存在各種各樣的模擬和數字信號，包括從高到低的電壓或電流，從DC到GHz頻率范圍。保證這些信號不相互干擾是非常困難的。

回 顧前面“誰都別信”部分的建議，最關鍵的是預先思考并且為了如何處理PCB上的信號制定出一個計劃。重要的是注意哪些信號是敏感信號并且確定必須采取何種 措施來保證信號的完整性。接地平面為電信號提供一個公共參考點，也可以用于屏蔽。如果需要進行信號隔離，首先應該在信號印制線之間留出物理距離。下面是一 些值得借鑒的實踐經驗：

減小同一PCB中長并聯線的長度和信號印制線間的接近程度可以降低電感耦合。

減小相鄰層的長印制線長度可以防止電容耦合。

需要高隔離度的信號印制線應該走不同的層而且——如果它們無完全隔離的話——應該走正交印制線，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，而且地線會形成一種電屏蔽。在構成控制阻抗印制線時可以采用這種方法。

高頻(RF)信號通常在控制阻抗印制線上流動。就是說，該印制線保持一種特征阻抗，例如50Ω(RF應用中的典型值)。兩種最常見的控制阻抗印制線，微帶線4和帶狀線5都可以達到類似的效果，但是實現的方法不同。

微帶控制阻抗印制線，如圖13所示，可以用在PCB的任意一面;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)可以用于計算一塊FR4板的特征阻抗。

(6)

H表示從接地平面到信號印制線之間的距離，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材料的介電常數。

帶狀控制阻抗印制線(參見圖14)采用了兩層接地平面，信號印制線夾在其中。這種方法使用了較多的印制線，需要的PCB層數更多，對電介質厚度變化敏感，而且成本更高——所以通常只用于要求嚴格的應用中。

圖14. 帶狀控制阻抗印制線。

用于帶狀線的特征阻抗計算公式如公式(7)所示。

(7)

保 護環，或者說“隔離環”，是運算放大器常用的另一種屏蔽方法，它用于防止寄生電流進入敏感結點。其基本原理很簡單——用一條保護導線將敏感結點完全包圍起 來，導線保持或者迫使它保持(低阻抗)與敏感結點相同的電勢，因此使吸收的寄生電流遠離了敏感結點。圖15(a)示出了用于運算放大器反相配置和同相配置 中的保護環的原理圖。圖15(b)示出用于SOT-23-5封裝中兩種保護環的典型布線方法。

圖15. 保護環。(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方法。欲獲得有關這個問題和上述其它題目的更多信息，建議讀者閱讀下列參考文獻。

結論

高水平的PCB布線對成功的運算放大器電路設計是很重要的，尤其是對高速電路。一個好原理圖是好的布線的基礎;電路設計工程師和布線設計工程師之間的緊密配 合是根本，尤其是關于器件和接線的位置問題。需要考慮的問題包括旁路電源，減小寄生效應，采用接地平面，運算放大器封裝的影響，以及布線和屏蔽的方法。