高頻PCB設(shè)計(jì)中，工程師需考慮四個(gè)方面帶來(lái)的干擾問(wèn)題并給解決方案

在高頻PCB設(shè)計(jì)中，工程師需要考慮電源噪聲、傳輸線干擾、耦合、電磁干擾（EMI）四個(gè)方面的干擾問(wèn)題。接下來(lái)，我們結(jié)合工作中的實(shí)踐，給出有效的解決方案。

電源噪聲

高頻電路中，電源所帶有的噪聲對(duì)高頻信號(hào)影響尤為明顯。因此，首先要求電源是低噪聲的。在這里，干凈的地和干凈的電源同樣重要，為什么呢？電源特性如圖1所示。很明顯，電源是具有一定阻抗的，并且阻抗是分布在整個(gè)電源上的，因此，噪聲也會(huì)疊加在電源上。那么我們就應(yīng)該盡可能地減小電源的阻抗，所以最好要有專有的電源層和接地層。在高頻電路設(shè)計(jì)中，電源以層的形式設(shè)計(jì)，在大多數(shù)情況下都比以總線的形式設(shè)計(jì)要好得多，這樣回路總可以沿著阻抗最小的路徑走。此外電源板還得為PCB上所有產(chǎn)生和接受的信號(hào)提供一個(gè)信號(hào)回路，這樣可以最小化信號(hào)回路，從而減小噪聲，這點(diǎn)常常為低頻電路設(shè)計(jì)人員所忽視。

圖1 電源特性

PCB設(shè)計(jì)中消除電源噪聲的方法有如下幾種：

1、注意板上通孔:通孔使得電源層上需要刻蝕開(kāi)口以留出空間給通孔通過(guò)。而如果電源層開(kāi)口過(guò)大，勢(shì)必影響信號(hào)回路，信號(hào)被迫繞開(kāi)，回路面積增大，噪聲加大。同時(shí)如果一些信號(hào)線都集中在開(kāi)口附近，共用這一段回路，公共阻抗將引發(fā)串?dāng)_。如圖2所示。

圖2 旁路信號(hào)回路的公共路徑

2、連接線需要足夠多的地線:每一信號(hào)需要有自己的專有的信號(hào)回路,而且信號(hào)和回路的環(huán)路面積盡可能小,也就是說(shuō)信號(hào)與回路要并行。

3、模擬與數(shù)字電源的電源要分開(kāi):高頻器件一般對(duì)數(shù)字噪音非常敏感，所以兩者要分開(kāi)，在電源的入口處接在一起，若信號(hào)要跨越模擬和數(shù)字兩部分的話，可以在信號(hào)跨越處放置一條回路以減小環(huán)路面積。用于信號(hào)回路的數(shù)模間的跨越如圖3 所示。

圖3 用于信號(hào)回路的數(shù)模間的跨越

4、避免分開(kāi)的電源在不同層間重疊:否則電路噪聲很容易通過(guò)寄生電容耦合過(guò)去。

5、隔離敏感元件:如PLL。

6、放置電源線:為減小信號(hào)回路,通過(guò)放置電源線在信號(hào)線邊上來(lái)實(shí)現(xiàn)減小噪聲,如圖4所示。

圖4 信號(hào)線邊上放置電源線

傳輸線

在PCB中只可能出現(xiàn)兩種傳輸線：帶狀線和微波線，傳輸線最大的問(wèn)題就是反射，反射會(huì)引發(fā)出很多問(wèn)題，例如負(fù)載信號(hào)將是原信號(hào)與回波信號(hào)的疊加，增加信號(hào)分析的難度；反射會(huì)引起回波損耗（回?fù)p），其對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響與加性噪聲干擾產(chǎn)生的影響同樣嚴(yán)重：

(1)信號(hào)反射回信號(hào)源會(huì)增加系統(tǒng)噪聲,使接收機(jī)更加難以將噪聲和信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)；

(2)任何反射信號(hào)基本上都會(huì)使信號(hào)質(zhì)量降低,都會(huì)使輸入信號(hào)形狀上發(fā)生變化。大原則上來(lái)說(shuō)，解決的辦法主要是阻抗匹配(例如互連阻抗應(yīng)與系統(tǒng)的阻抗非常匹配)但有時(shí)候阻抗的計(jì)算比較麻煩，可以參考一些傳輸線阻抗的計(jì)算軟件。

PCB設(shè)計(jì)中消除傳輸線干擾的方法如下：

(a)避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性。阻抗不連續(xù)的點(diǎn)就是傳輸線突變的點(diǎn)，如直拐角、過(guò)孔等，應(yīng)盡量避免。方法有：避免走線的直拐角，盡可能走45°角或者弧線，大彎角也可以；盡可能少用過(guò)孔，因?yàn)槊總€(gè)過(guò)孔都是阻抗不連續(xù)點(diǎn)，如圖5所示；外層信號(hào)避免通過(guò)內(nèi)層，反之亦然。

圖5 消除傳輸線干擾的方法

(b)不要用樁線。因?yàn)槿魏螛毒€都是噪聲源。如果樁線短，可在傳輸線的末端端接就可以了；如果樁線長(zhǎng)，會(huì)以主傳輸線為源，產(chǎn)生很大的反射，使問(wèn)題復(fù)雜化，建議不要使用。

耦合

(1)公共阻抗耦合:是一種常見(jiàn)的耦合通道即干擾源和被干擾設(shè)備往往共用某些導(dǎo)體(例如回路電源、總線、公共接地等)，如圖6所示。

圖6 公共阻抗耦合

在該通道上,Ic的下降回在串聯(lián)的電流回路中引起共模電壓,影響接收機(jī)。

(2)場(chǎng)共模耦合將引起輻射源在由被干擾電路形成的環(huán)路和公共參考面上引起共模電壓。如果磁場(chǎng)占主要地位，在串聯(lián)地回路中產(chǎn)生的共模電壓的值是Vcm=-(△B/△t)*面積(式中的△B=磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量)如果是電磁場(chǎng)，已知它的電場(chǎng)值時(shí)，其感應(yīng)電壓：Vcm=(L*h*F*E)/48,公式適用于L(m)=150MHz以下,超過(guò)這個(gè)限制，最大感應(yīng)電壓的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：Vcm=2*h*E。

(3)差模場(chǎng)耦合:指直接的輻射被導(dǎo)線對(duì)或電路板上的引線及其回路所感應(yīng)接收.如果盡量靠近兩根導(dǎo)線。這種耦合會(huì)大大減小，所以可以將兩根導(dǎo)線絞在一起來(lái)減小干擾。

(4)線間耦合(串?dāng)_)可以使任何線等于并聯(lián)電路間發(fā)生不希望有的耦合，嚴(yán)重的將大大損害系統(tǒng)的性能。其種類可分為容性串?dāng)_和感性串?dāng)_。前者是因?yàn)榫€間的寄生電容使得噪聲源上的噪聲通過(guò)電流的注入耦合到噪聲接收線上；后者可以被想象成信號(hào)在一個(gè)不希望有的寄生變壓器初次級(jí)間的耦合。感性串?dāng)_的大小取決于兩個(gè)環(huán)路的靠近程度和環(huán)路面積的大小，及所影響的負(fù)載的阻抗。

(5)電源線耦合:是指交流或直流電源線受到電磁干擾后，電源線又將這些干擾傳輸?shù)狡渌O(shè)備上。

PCB設(shè)計(jì)中消除串?dāng)_的方法有如下幾種：

1、兩種串?dāng)_的大小均隨負(fù)載阻抗的增大而增大，所以應(yīng)對(duì)由串?dāng)_引起的干擾敏感的信號(hào)線進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私印?/p>

2、盡可能地增大信號(hào)線間的距離,可以有效地減少容性串?dāng)_。進(jìn)行接地層管理，在布線之間進(jìn)行間隔（例如對(duì)有源信號(hào)線和地線進(jìn)行隔離，尤其在狀態(tài)發(fā)生跳變的信號(hào)線和地之間更要進(jìn)行間隔）和降低引線電感。

3、在相鄰的信號(hào)線間插入一根地線也可以有效減小容性串?dāng)_，這根地線需要每1/4波長(zhǎng)就接入地層。

4、對(duì)于感性串?dāng)_，應(yīng)盡量減小環(huán)路面積，如果允許的話，消除這個(gè)環(huán)路。

5、避免信號(hào)共用環(huán)路。

6、關(guān)注信號(hào)完整性：設(shè)計(jì)者要在焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)端接來(lái)解決信號(hào)完整性。采用這種辦法的設(shè)計(jì)者可專注屏蔽用銅箔的微帶長(zhǎng)度，以便獲得信號(hào)完整性的良好性能。對(duì)于在通信結(jié)構(gòu)中采用密集連接器的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可用一塊PCB作端接。

電磁干擾

隨著速度的提升，EMI將變得越來(lái)越嚴(yán)重，并表現(xiàn)在很多方面上（例如互連處的電磁干擾），高速器件對(duì)此尤為敏感，它會(huì)因此接收到高速的假信號(hào)，而低速器件則會(huì)忽視這樣的假信號(hào)。

PCB設(shè)計(jì)中消除電磁干擾的方法有如下幾種：

1、減小環(huán)路：每個(gè)環(huán)路都相當(dāng)于一個(gè)天線，因此我們需要盡量減小環(huán)路的數(shù)量，環(huán)路的面積以及環(huán)路的天線效應(yīng)。確保信號(hào)在任意的兩點(diǎn)上只有唯一的一條回路路徑，避免人為環(huán)路，盡量使用電源層。

2、濾波：在電源線上和在信號(hào)線上都可以采取濾波來(lái)減小EMI，方法有三種：去耦電容、EMI濾波器、磁性元件。EMI濾波器如圖7所示。

圖7 濾波器的類型

3、屏蔽。由于篇幅問(wèn)題再加上討論屏蔽的文章很多，不再具體介紹。

4、盡量降低高頻器件的速度。

5、增加PCB板的介電常數(shù)，可防止靠近板的傳輸線等高頻部分向外輻射；增加PCB板的厚度，盡量減小微帶線的厚度，可以防止電磁線的外溢，同樣可以防止輻射。

總結(jié)：

在高頻PCB設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該遵循的原則：

1、電源與地的統(tǒng)一，穩(wěn)定。

2、仔細(xì)考慮的布線和合適的端接可以消除反射。

3、仔細(xì)考慮的布線和合適的端接可以減小容性和感性串?dāng)_。

4、需要抑制噪聲來(lái)滿足EMC要求。