【導讀】印制電路板(PCB)布線(xiàn)在高速電路中具有關(guān)鍵的作用，但它往往是電路設計過(guò)程的最后幾個(gè)步驟之一。高速PCB布線(xiàn)有很多方面的問(wèn)題，關(guān)于這個(gè)題目已有人撰寫(xiě)了大量的文獻。本文主要從實(shí)踐的角度來(lái)探討高速電路的布線(xiàn)問(wèn)題。
印制電路板(PCB)布線(xiàn)在高速電路中具有關(guān)鍵的作用，但它往往是電路設計過(guò)程的最后幾個(gè)步驟之一。高速PCB布線(xiàn)有很多方面的問(wèn)題，關(guān)于這個(gè)題目已有人撰寫(xiě)了大量的文獻。本文主要從實(shí)踐的角度來(lái)探討高速電路的布線(xiàn)問(wèn)題。
誰(shuí)都別信
如果不是你自己設計布線(xiàn)，一定要留出充裕的時(shí)間仔細檢查布線(xiàn)人的設計。在這點(diǎn)上很小的預防抵得上一百倍的補救。不要指望布線(xiàn)的人能理解你的想法。在布線(xiàn)設計過(guò)程的初期你的意見(jiàn)和指導是最重要的。
你能提供的信息越多，并且整個(gè)布線(xiàn)過(guò)程中你介入的越多，結果得到的PCB就會(huì )越好。給布線(xiàn)設計工程師設置一個(gè)暫定的完成點(diǎn)——按照你想要的布線(xiàn)進(jìn)展報告快速檢查。這種“閉合環(huán)路”方法可以防止布線(xiàn)誤入歧途，從而將返工的可能性降至最低。
需要給布線(xiàn)工程師的指示包括：
電路功能的簡(jiǎn)短描述？
標明輸入和輸出位置的PCB略圖？
PCB層疊信息？
各層需要那些信號？
要求重要元件的放置位置？
旁路元件的確切位置？
哪些印制線(xiàn)很重要？
哪些線(xiàn)路需要控制阻抗印制線(xiàn)？
哪些線(xiàn)路需要匹配長(cháng)度;元件的尺寸？
哪些印制線(xiàn)需要彼此遠離(或靠近)？
哪些線(xiàn)路需要彼此遠離(或靠近)？
哪些元器件需要彼此遠離(或靠近)？
哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面？
永遠不要抱怨需要給別人的信息太多。太少嗎？是。太多嗎？不。
位置
正像在PCB中，位置決定一切。將一個(gè)電路放在PCB上的什么位置，將其具體的電路元件安裝在什么位置，以及其相鄰的其它電路是什么，這一切都非常重要。
通常，輸入、輸出和電源的位置是預先確定好的，但是它們之間的電路就需要“發(fā)揮各自的創(chuàng )造性”了。這就是為什么注意布線(xiàn)細節將產(chǎn)生巨大回報的原因。從關(guān)鍵元件的位置入手，根據具體電路和整個(gè)PCB來(lái)考慮。從一開(kāi)始就規定關(guān)鍵元件的位置以及信號的路徑有助于確保設計達到預期的工作目標。一次就得到正確的設計可以降低成本和壓力——也就縮短了開(kāi)發(fā)周期。
寄生效應
所謂寄生效應就是那些溜進(jìn)你的PCB并在電路中大施破壞、頭痛令人、原因不明的小故障(按照字面意思)。它們就是滲入高速電路中隱藏的寄生電容和寄生電感。
其中包括由封裝引腳和印制線(xiàn)過(guò)長(cháng)形成的寄生電感;焊盤(pán)到地、焊盤(pán)到電源平面和焊盤(pán)到印制線(xiàn)之間形成的寄生電容;通孔之間的相互影響，以及許多其它可能的寄生效應。圖1(a)示出了一個(gè)典型的同相運算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應的話(huà)，同樣的電路可能會(huì )變成圖1(b)那樣。
圖1.典型的運算放大器電路，
(a)原設計圖,(b)考慮寄生效應后的圖
在高速電路中，很小的值就會(huì )影響電路的性能。有時(shí)候幾十個(gè)皮法(pF)的電容就足夠了。如果寄生電容足夠大的話(huà)，它會(huì )引起電路的不穩定和振蕩。
當尋找有問(wèn)題的寄生源時(shí)，可能用得著(zhù)幾個(gè)計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計算平行極板電容器的公式。
公式(1)中：C表示電容值，A表示以cm2為單位的極板面積，k表示PCB材料的相對介電常數，d表示以cm為單位的極板間距離。
帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應，它是由于印制線(xiàn)過(guò)長(cháng)或缺乏接地平面引起的。公式(2)是計算印制線(xiàn)電感(Inductance)的公式。
公式(2)中：W表示印制線(xiàn)寬度，L表示印制線(xiàn)長(cháng)度，H表示印制線(xiàn)的厚度。全部尺寸都以mm為單位。
圖2中的振蕩示出了高速運算放大器同相輸入端長(cháng)度為2.54cm的印制線(xiàn)的影響。其等效寄生電感為29nH(10-9H)，足以造成持續的低壓振蕩，會(huì )持續到整個(gè)瞬態(tài)響應周期。圖7還示出了如何利用接地平面來(lái)減小寄生電感的影響。
圖2.有接地平面和沒(méi)有接地平面的脈沖響應
通孔是另外一種寄生源，它們能引起寄生電感和寄生電容。公式(3)是計算寄生電感的公式。
公式(3)中：T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。
公式(4)是如何計算通孔引起的寄生電容值的公式。
公式(4)中：εr表示PCB材料的相對磁導率，T表示PCB的厚度，D1表示環(huán)繞通孔的焊盤(pán)直徑，D2表示接地平面中隔離孔的直徑，所有尺寸均以cm為單位。
在一塊0.157cm厚的PCB上一個(gè)通孔就可以增加1.2nH的寄生電感和0.5pF的寄生電容。這就是為什么在給PCB布線(xiàn)時(shí)一定要時(shí)刻保持戒備的原因，要將寄生效應的影響降至最小。
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