高速PCB设计指南之六Word文件下载.docx

1、即使存在虚假判断, 大部分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。二、现代混合信号 PCB 的布局和布线下面将通过 OC48接口卡的设计来阐述混合信号 PCB 布局和布线的技术。 OC48代表 光载波标准 48,基本上面向 2.5Gb 串行光通讯,它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的 一种。 OC48接口卡包含若干典型混合信号 PCB 的布局和布线问题, 其布局和布线过程将指 明解决混合信号 PCB 布局方案的顺序和步骤。图 2:OC48接口卡的逻辑如图 2所示, OC48卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信 号输入或输出数字信号处理器, DSP 将这些模拟信号

2、转换为数字逻辑电平,从而可与微处 理器、可编程门阵列以及在 OC48卡上的 DSP 和微处理器的系统接口电路相连接。独立的 锁相环、电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。其中,微处理器是一个多电源器件,主电源为 2V , 3.3V 的 I/O信号电源由板上其他数 字器件共享。独立数字时钟源为 OC48 I/O、微处理器和系统 I/O提供时钟。经过检查不同功能电路块的布局和布线要求,初步建议采用 12层板,如图 3所示。微带和 带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。 第一层和第二层之间设 置接地层,将把敏感的模拟参考源、 CPU 核和 PLL 滤波器电源的布线与在第一层的

3、微处理 器和 DSP 器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的,与 OC48卡上为共享 3.3V 电源层所做的一样。这样将降低电源和地之间的阻抗,从而减少电源信号上的噪声。要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线, 否则, 电源信号的噪声将 耦合到敏感的模拟信号之中。要根据数字信号布线的需要,仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口 （split,特别是在 混合信号器件的输入和输出端。 在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传 输线回路。这些都会造成信号质量、时序和 EMI 问题。有时增加若干接地层, 或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层, 就可 以取消开口并避免

4、出现上述问题, 在 OC48接口卡上就采用了多个接地层。 保持开口层和布 线层位置的层叠对称可以避免卡变形并简化制作过程。由于 1盎司覆铜板耐大电流的能力 强, 3.3V 电源层和对应的接地层要采用 1盎司覆铜板, 其它层可以采用 0.5盎司覆铜板, 这 样,可以降低暂态高电流或尖峰期间引起的电压波动。如果你从接地层往上设计一个复杂的系统,应采用 0.093英寸和 0.100英寸厚度的卡以 支撑布线层及接地隔离层。 卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布线特征尺寸调整, 以便使 钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商提供的金属化孔的宽高比。如果要用最少的布线层数设计一个低成本、高产量的商业产品,

5、则在布局或布线之前, 要仔细考虑混合信号 PCB 上所有特殊电源的布线细节。在开始布局和布线之前,要让目标 制造商复查初步的分层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗 （带容差 和 最小的过孔焊盘和孔的尺寸来分层,制造商应该书面提供分层建议。建议中要包含所有受控阻抗带状线和微带线的配置实例。 要将你对阻抗的预测与制造商 对阻抗的结合起来考虑,然后,利用这些阻抗预测可以验证用于开发 CAD 布线规则的仿真 工具中的信号布线特性。三、 OC48卡的布局在光收发器和 DSP 之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样,所有特殊电源和参考电压电路也使该卡的模拟和数字电源传输电路之间产生大量

6、的耦合。 有时, 受机壳形状 的限制, 不得不设计高密度板卡。 由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分元件尺寸较高, 使收发器在卡中的位置很大程度上被固定死。系统 I/O连接器位置和信号分配也是固定的。 这是布局之前必须完成的基础工作 （见图 4 。与大多数成功的高密度模拟布局和布线方案一样, 布局要满足布线的要求, 布局和布线 的要求必须互相兼顾。对一块混合信号 PCB 的模拟部分和 2V 工作电压的本地 CPU 内核, 不推荐采用 “ 先布局后布线 ” 的方法。 对 OC48卡来说, DSP 模拟电路部分包含有模拟参考电 压和模拟电源旁路电容的部分应首先互动布线。完成布线后,具有模拟元件和

7、布线的整个 DSP 要放到距离光收发器足够近的地方,充分保证高速模拟差分信号到 DSP 的布线长度最 短、弯曲和过孔最少。差分布局和布线的对称性将减少共模噪声的影响。但是,在布线之前 很难预测布局的最佳方案 （见图 5 。要向芯片分销商咨询 PCB 排板的设计指南。在按照指南设计之前,要与分销商的应用 工程师充分交流。 许多芯片分销商对提供高质量的布板建议有严格的时间限制。 有时, 他们 提供的解决方案对于使用该器件的 “ 一级客户 ” 是可行的。在信号完整性 （SI设计领域,新器 件的信号完整性设计特别重要。 根据分销商的基本指南并与封装中每条电源和接地引脚的特 定要求相结合,就可以开始对集

8、成了 DSP 和微处理器的 OC48卡布局布线。高频模拟部分的位置和布线确定后, 就可以按照框图中所示的分组方法放置其余的数字 电路。 要注意仔细设计下列电路:对模拟信号灵敏度高的 CPU 中 PLL 电源滤波电路的位置; 本地 CPU 内核电压调整器;用于 “ 数字 ” 微处理器的参考电压电路。数字布线的电气和制造准则规范此时才可以恰当地应用到设计之中。 前述对高速数字总 线和时钟信号的信号完整性的设计,揭示出一些对处理器总线、平衡 Ts 及某些时钟信号布 线的时滞匹配的特殊布线拓扑要求。 但是你或许不知道, 也有人提出更新的建议, 即增加若 干端接电阻。在解决问题的过程中,布板阶段做一些调

9、整是当然的事。 但是,在开始布线之前, 很重要的一步是按照布局方案验证数字部分的时序。 此时此刻, 对板卡进行完整 DFM/DFT布局 复查将有助于确保该卡满足客户的需要。四、 OC48卡的数字布线对于数字器件电源线和混合信号 DSP 的数字部分,数字布线要从 SMD 出路图 （escape patterns 开始。要采用装配工艺允许的最短和最宽的印制线。对于高频器件来说,电源的印 制线相当于小电感, 它将恶化电源噪声, 使模拟和数字电路之间产生不期望的耦合。 电源印 制线越长,电感越大。采用数字旁路电容可以得到最佳的布局和布线方案。 简言之, 根据需要微调旁路电容的 位置,使之安装方便并分布

10、在数字部件和混合信号器件数字部分的周围。要采用同样的 “ 最 短和最宽的走线 ” 方法对旁路电容出路图进行布线。当电源分支要穿过连续的平面时 （如 OC48接口卡上的 3.3V 电源层 , 则电源引脚和旁路 电容本身不必共享相同的出口图,就可以得到最低的电感和 ESR 旁路。在 OC48接口卡这 样的混合信号 PCB 上,要特别注意电源分支的布线。记住,要在整个卡上以矩阵排列的形 式放置额外的旁路电容,即使在无源器件附近也要放置 （见图 6 。电源出路图确定之后,就可以开始自动布线。 OC48卡上的 ATE 测试触点要在逻辑设 计时定义。要确保 ATE 接触到 100%的节点。为了以 0.07

11、0英寸的最小 ATE 测试探头实现 ATE 测试,必须保留引出过孔 （breakout via的位置,以保证电源层不会被过孔的反面焊盘 （antipads交叉所隔断。如果要采用一个电源和接地层开口 （split方案,应在平行于开口的邻近布线层上选择偏 移层 （layer bias。在邻近层上按该开口区域的周长定义禁止布线区,防止布线进入。如果布 线必须穿过开口区域到另一层, 应确保与布线相邻的另一层为连续的接地层。 这将减少反射 路径。 让旁路电容跨过开口的电源层对一些数字信号的布板有好处, 但不推荐在数字和模拟 电源层之间进行桥接,这是因为噪声会通过旁路电容互相耦合。若干最新的自动布线应用程

12、序能够对高密度多层数字电路进行布线。 初步布线阶段要在 SMD 出口中使用 0.050英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用的封装类型,后续布线阶段要容 许过孔的位置互相靠得比较近, 这样所有工具都能实现最高的布通率和最低的过孔数。 由于 OC48处理器总线采用一种改进的星形拓扑结构,在自动布线时其优先级最高 （见图 7 。 总结OC48卡布板完成之后要进行信号完整性核查和时序仿真。仿真证明布线指导达到预期 的要求并改善了第二层总线的时序指标。 最后进行设计规则检查、 最终制造的复查、 光罩和 复查并签发给制造者,则布板任务才正式结束分区设计摘要:混合信号电路 PCB 的设计很复杂,元器件的布局、布线

13、以及电源和地线的处理 将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。 本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电 路的性能。如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁兼容 （EMC的 两个基本原则 :第一个原则是尽可能减小电流环路的面积; 第二个原则是系统只采用一个 参考面。相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线 （注:小型偶极天线的 辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比 ;而如果信号不能通过尽可能小的 环路返回,就可能形成一个大的环状天线 （注:小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过 环路的电流大小以及频率的平方成正比 。在设计中要尽可能避免这两种情况

14、。有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开, 这样能实现数字地和模拟地之 间的隔离。 尽管这种方法可行, 但是存在很多潜在的问题, 在复杂的大型系统中问题尤其突 出。 最关键的问题是不能跨越分割间隙布线 ,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号 串扰都会急剧增加。在 PCB 设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生 EMI 问题。如图 1所示, 我们采用上述分割方法, 而且信号线跨越了两个地之间的间隙, 信号电流 的返回路径是什么呢?假定被分割的两个地在某处连接在一起 （通常情况下是在某个位置单 点连接 ,在这种情况下,地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐

15、 射和很高的地电感, 如果流过大环路的是低电平模拟电流, 该电流很容易受到外部信号干扰。 最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时, 将形成一个非常大的电流环路。 另外, 模拟 地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。 许多设计工程师仅 仅考虑信号电流从哪儿流过, 而忽略了电流的具体路径。 如果必须对地线层进行分割, 而且 必须通过分割之间的间隙布线, 可以先在被分割的地之间进行 单点连接 , 形成两个地之间的 连接桥, 然后通过该连接桥布线。 这样, 在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流 回流路径,从而使形成的环路

16、面积很小。采用 光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙 。对于前者,跨越分割间隙的是 光信号; 在采用变压器的情况下, 跨越分割间隙的是磁场。 还有一种可行的办法是 采用差分 信号 :信号从一条线流入从另外一条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。 高频电流总是选择 阻抗最小 （电感最低 ,直接位于信号下方的路径,因此返回电流会流过邻近的电路层,而无 论这个临近层是电源层还是地线层。在实际工作中一般倾向于使用统一地,而将 PCB 分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在 电路板所有层的模拟区内布线, 而数字信号在数字电路区内布

17、线。 在这种情况下, 数字信号 返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部 分之上时, 才会出现数字信号对模拟信号的干扰。 出现这种问题并不是因为没有分割地, 真 正的原因是数字信号的布线不适当。PCB 设计采用统一地,通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线,通常可以 解决一些比较困难的布局布线问题, 同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。 在这 种情况下, 元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。 如果布局布线合理, 数字地电 流将限制在电路板的数字部分, 不会干扰模拟信号。 对于这样的布线必须仔细地检查和核对,

18、 要保证百分之百遵守布线规则。 否则, 一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错 的电路板。在将 A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时,大多数的 A/D转换器厂商会建 议:将 AGND 和 DGND 管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上 （注:因为大多数 A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起, 必须通过外部管脚实现模拟和数字 地的连接 ,任何与 DGND 连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到 IC 内部的模拟电路上。 按照这个建议, 需要把 A/D转换器的 AGND 和 DGND 管脚都连接到模 拟地上, 但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的

19、接地端应该接到模拟地还是数字地的问 题。如果系统仅有一个 A/D转换器,上面的问题就很容易解决。如图 3中所示,将地分割 开,在 A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时,必须保证两个 地之间的连接桥宽度与 IC 等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙。如果系统中 A/D转换器较多,例如 10个 A/D转换器怎样连接呢?如果在每一个 A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起, 则产生多点相连, 模拟地和数字地之间的隔 离就毫无意义。而如果不这样连接,就违反了厂商的要求。最好的办法是开始时就用统一地。如图 4所示,将统一的地分为模拟部分和数字部分。 这样的布局布线既满足

20、了 IC 器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求,同时又不 会形成环路天线或偶极天线而产生 EMC 问题。如果对混合信号 PCB 设计采用统一地的做法心存疑虑,可以采用地线层分割的方法对 整个电路板布局布线, 在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于 1/2英寸的 跳线或 0欧姆电阻将分割地连接在一起。 注意分区和布线, 确保在所有的层上没有数字信号 线位于模拟部分之上, 也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。 而且, 任何信号线都不能 跨越地间隙或是分割电源之间的间隙 。要测试该电路板的功能和 EMC 性能,然后将两个地 通过 0欧姆电阻或跳线连接在一起, 重新测试该电路板的

21、功能和 EMC 性能。 比较测试结果, 会发现几乎在所有的情况下,统一地的方案在功能和 EMC 性能方面比分割地更优越。 在以下三种情况可以用到这种方法:一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间 的漏电流很低;一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备 上;另外一种情况就是在 PCB 的布局受到特定限制时。在混合信号 PCB 板上通常有独立的数字和模拟电源,能够而且应该采用分割电源面。 但是 紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而所有跨越该间隙的信号线都必须位 于紧邻大面积地的电路层上 。在有些情况下,将模拟电源以 PCB 连接线而不是一个面来设计可以避免电源面

22、的分割问题。混合信号 PCB 设计是一个复杂的过程,设计过程要注意以下几点:1. 将 PCB 分区为独立的模拟部分和数字部分。2. 合适的元器件布局。3.A/D转换器跨分区放置。4. 不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。5. 在电路板的所有层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线。6. 在电路板的所有层中,模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。7. 实现模拟和数字电源分割。8. 布线不能跨越分割电源面之间的间隙。9. 必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。10. 分析返回地电流实际流过的路径和方式。11. 采用正确的布线规则。- 第六篇 RF 产

23、品设计过程中降低信号耦合的 PCB 布线技巧一轮蓝牙设备、 无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注 RF 电 路设计技巧。 RF 电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分,如想一次获得成功,仔 细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。射频 （RF电路板设计由于在理论上还有很多不确定性,因此常被形容为一种 “ 黑色艺 术 ” , 但这个观点只有部分正确, RF 电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的 法则。 不过, 在实际设计时, 真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准 确地实施时如何对它们进行折衷处理。当然,有许多重要的 RF 设计课

24、题值得讨论,包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠 板以及波长和驻波,不过,本文将集中探讨与 RF 电路板分区设计有关的各种问题。今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起, 这对 RF 电路板设计来说很 不利。 现在业界竞争非常激烈, 人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。 模拟、数字和 RF 电路都紧密地挤在一起,用来隔开各自问题区域的空间非常小,而且考虑 到成本因素, 电路板层数往往又减到最小。 令人感到不可思议的是, 多用途芯片可将多种功 能集成在一个非常小的裸片上,而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密,因此 RF 、 IF 、 模拟和数字信号非常靠近, 但它们

25、通常在电气上是不相干的。 电源分配可能对设计者来说是 一个噩梦, 为了延长电池寿命, 电路的不同部分是根据需要而分时工作的, 并由软件来控制 转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供 5到 6种工作电源。一、 RF 布局概念在设计 RF 布局时,有几个总的原则必须优先加以满足:尽可能地把高功率 RF 放大器 （HPA和低噪音放大器 （LNA隔离开来 ,简单地说,就是让高 功率 RF 发射电路远离低功率 RF 接收电路。 如果你的 PCB 板上有很多物理空间, 那么你可 以很容易地做到这一点,但通常元器件很多, PCB 空间较小,因而这通常是不可能的。你 可以把他们放在 PCB 板的两面,或者

26、让它们交替工作,而不是同时工作。高功率电路有时 还可包括 RF 缓冲器和压控制振荡器 （VCO。确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地, 最好上面没有过孔 , 当然, 铜皮越多越好。 稍后, 我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则,以及如何避免由此而可能引起的问题。芯片和电源去耦同样也极为重要,稍后将讨论实现这个原则的几种方法。RF 输出通常需要远离 RF 输入,稍后我们将进行详细讨论。敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号 。二、如何进行分区?设计分区可以分解为物理分区和电气分区。 物理分区主要涉及元器件布局、 朝向和屏蔽等问题; 电气分区可以继续分解为电源分配、 RF 走

27、线、 敏感电路和信号以及接地等的分区。 首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀 RF 设计的关键,最有效的技 术是首先固定位于 RF 路径上的元器件,并调整其朝向以将 RF 路径的长度减到最小,使输 入远离输出,并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。最有效的电路板堆叠方法是 将主接地面 （主地 安排在表层下的第二层,并尽可能将 RF 线走在表层上 。将 RF 路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感,而且还可以减少 主地上的虚焊点,并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。在物理空间上, 像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个 RF 区之间相互隔离开来, 但是双工器

28、、混频器和中频放大器 /混频器总是有多个 RF/IF信号相互干扰,因此必须小心 地将这一影响减到最小。 RF 与 IF 走线应尽可能走十字交叉,并尽可能在它们之间隔一块 地 。正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而言非常重要,这也就是为什么元器件布局通常 在蜂窝电话 PCB 板设计中占大部分时间的原因。在蜂窝电话 PCB 板上,通常可以将低噪音放大器电路放在 PCB 板的某一面,而高功率 放大器放在另一面, 并最终通过双工器把它们在同一面上连接到 RF 端和基带处理器端的天 线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把 RF 能量从板的一面传递到另一面,常用的技术 是在 两面都使用盲孔 。可以

29、通过将直通过孔安排在 PCB 板两面都不受 RF 干扰的区域来将 直通过孔的不利影响减到最小。有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离, 在这种情况下就必须考虑采用金属屏 蔽罩将射频能量屏蔽在 RF 区域内,但金属屏蔽罩也存在问题,例如:自身成本和装配成本 都很贵;外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度, 长方形或正方形金属屏蔽罩又使元 器件布局受到一些限制; 金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位; 由于金属屏蔽罩必须焊 在地上,必须与元器件保持一个适当距离,因此需要占用宝贵的 PCB 板空间。尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要, 进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层 ,而且最好走线层的下面一层 PCB 是