基于Protel99SE在高頻PCB設(shè)計中的一些問題研究

本文主要從高頻PCB的手動布局、布線兩個方面，基于Protel99SE對在高頻PCB設(shè)計中的一些問題進(jìn)行研究。

1 布局的設(shè)計

Protel99SE雖然具有自動布局的功能，但并不能完全滿足高頻電路的工作需要，往往要憑借設(shè)計者的經(jīng)驗，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)合自動布局完成PCB的整體設(shè)計。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，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)下工作時產(chǎn)生的熱量較多，所以在布局時應(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，在放置時還要考慮到維修方便。對經(jīng)常需要測量的測試點，在布置元器件時應(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，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)點是各級的接地電流就在本級閉合流動，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。這一點在原理圖設(shè)計和繪制時就應(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布局時移動。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。

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方面考慮， 可采用自動布局的方式。

2 布線的設(shè)計

布線是在合理布局的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高頻PCB設(shè)計的總體要求。布線包括自動布線和手動布線兩種方式。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)行自動布線。即采用手動和自動布線相結(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，在相鄰的兩個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，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，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，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，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，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)。揚聲器的接地線應(yīng)接在PCB功放輸出級的接地點，切勿任意接地。

在布線過程中還應(yīng)該及時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。

3 焊盤及敷銅的設(shè)計

3.1 焊盤與孔徑

在保證布線最小間距不違反設(shè)計的電氣間距的情況下，焊盤的設(shè)計應(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，設(shè)計過大，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，應(yīng)采用補(bǔ)淚滴設(shè)計。

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)計中，焊盤及其形狀、孔徑與孔距的設(shè)計既要考慮其特殊性，又要滿足生產(chǎn)工藝的要求。采用規(guī)范化的設(shè)計，既可降低產(chǎn)品成本， 又可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高生產(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，因為在PCB的使用中時間太長時會產(chǎn)生較大熱量，此時條狀銅箔容易發(fā)生膨脹和脫落現(xiàn)象，因此，在敷銅時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)的尺寸由所要重點屏蔽的干擾頻率而定。

在完成布線、焊盤和過孔的設(shè)計后，應(yīng)執(zhí)行DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）。在檢查結(jié)果中詳細(xì)列出了所設(shè)計的圖與所定義的規(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)定才可運行DRC，即執(zhí)行ToolsDesignRuleCheck命令。

4 結(jié)束語

高頻電路PCB的設(shè)計是一個復(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)計者需要在實際的工作中不斷研究和探索，不斷積累經(jīng)驗，并結(jié)合新的EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)才能設(shè)計出性能優(yōu)良的高頻電路PCB。