超強pcb佈線設計經驗談附原理圖(一）
作者：億萬家園
在當今激烈競爭的電池供電市場中，由於成本指標限制，設計人員常常使用雙面板。儘管多層板(4層、6層及8層)方案在尺寸、雜訊和效能方面具有明顯優勢，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其佈線策略，採用雙面板。在本文中，我們將討論自動佈線功能的正確使用和錯誤使用，有無地平面時電流迴路的設計策略，以及對雙面板元件布局的建議。
自動佈線的優缺點以及模擬電路佈線的注意事項
設計pcb時，往往很想使用自動佈線。通常，純數字的電路板(尤其訊號電平比較低，電路密度比較小時)採用自動佈線是沒有問題的。但是，在設計模擬、混合訊號或高速電路板時，如果採用佈線軟體的自動佈線工具，可能會出現一些問題，甚至很可能帶來嚴重的電路效能問題。
例如，圖1中顯示了乙個採用自動佈線設計的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些佈線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設計此混合訊號電路板時，經仔細考慮，將器件手工放在板上，以便將數字和模擬器件分開放置。
採用這種佈線方案時，有幾個方面需要注意，但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線，則頂層的器件都通過走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過電路板最右側的過孔連線。
當檢查這種佈線策略時，首先發現的弊端是存在多個地環路。另外，還會發現底層的地線返回路徑被水平訊號線隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位a/d轉換器mcp3202和2.
5v參考電壓源mcp4125)放在電路板的最右側，這種布局確保了這些模擬晶元下面不會有數字地訊號經過。
圖3a和圖3b所示電路的手工佈線如圖4、圖5所示。在手工佈線時，為確保正確實現電路，需要遵循一些通用的設計準則：盡量採用地平面作為電流迴路；將模擬地平面和數字地平面分開；如果地平面被訊號走線隔斷，為降低對地電流迴路的干擾，應使訊號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數位電路盡量靠近電源連線端放置，這樣做可以降低由數字開關引起的di/dt效應。
這兩種雙面板都在底層布有地平面，這種做法是為了方便工程師解決問題，使其可快速明了電路板的佈線。廠商的演示板和評估板通常採用這種佈線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁干擾。
圖1 採用自動佈線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層
圖2 採用自動佈線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層
圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中佈線的電路原理圖
圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中佈線的模擬部分電路原理圖
有無地平面時的電流迴路設計
對於電流迴路，需要注意如下基本事項：
1. 如果使用走線，應將其盡量加粗
pcb上的接地連線如要考慮走線時，設計應將走線盡量加粗。這是乙個好的經驗法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點到末端的有效寬度，此處「末端」指距離電源連線端最遠的點。
2. 應避免地環路
3. 如果不能採用地平面，應採用星形連線策略(見圖6)
通過這種方法，地電流獨立返回電源連線端。圖6中，注意到並非所有器件都有自己的迴路，u1和u2是共用迴路的。如遵循以下第4條和第5條準則，是可以這樣做的。
4. 數字電流不應流經模擬器件
數字器件開關時，迴路中的數字電流相當大，但只是瞬時的，這種現象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對於地平面或接地走線的感抗部分，計算公式為v = ldi/dt，其中v是產生的電壓，l是地平面或接地走線的感抗，di是數字器件的電流變化，dt是持續時間。對地線阻抗部分的影響，其計算公式為v= ri, 其中，v是產生的電壓，r是地平面或接地走線的阻抗，i是由數字器件引起的電流變化。
經過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變訊號鏈中訊號和地之間的關係(即訊號的對地電壓)。
5. 高速電流不應流經低速器件
與上述類似，高速電路的地返回訊號也會造成地平面的電壓發生變化。此干擾的計算公式和上述相同，對於地平面或接地走線的感抗，v = ldi/dt ；對於地平面或接地走線的阻抗，v = ri 。與數字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經過模擬器件時，地線上的電壓變化會改變訊號鏈中訊號和地之間的關係。
圖4 採用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層
圖5 採用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層
圖6 如果不能採用地平面，可以採用「星形」佈線策略來處理電流迴路
圖7 分隔開的地平面有時比連續的地平面有效，圖b)接地佈線策略比圖a) 的接地策略理想
6. 不管使用何種技術，接地迴路必須設計為最小阻抗和容抗
7. 如使用地平面，分隔開地平面可能改善或降低電路效能，因此要謹慎使用
分開模擬和數字地平面的有效方法如圖7所示
圖7中，精密模擬電路更靠近接外掛程式，但是與數字網路和電源電路的開關電流隔離開了。這是分隔開接地迴路的非常有效的方法，我們在前面討論的圖4和圖5的佈線也採用了這種技術。
超強pcb佈線設計經驗談附原理圖(二）
工程領域中的數字設計人員和數字電路板設計專家在不斷增加，這反映了行業的發展趨勢。儘管對數字設計的重視帶來了電子產品的重大發展，但仍然存在，而且還會一直存在一部分與模擬或現實環境介面的電路設計。模擬和數字領域的佈線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結果時，由於其佈線策略不同，簡單電路佈線設計就不再是最優方案了。
本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由pcb佈線引起的電磁干擾(emi)等幾個方面，討論模擬和數字佈線的基本相似之處及差別。
模擬和數字佈線策略的相似之處
旁路或去耦電容
在佈線時，模擬器件和數字器件都需要這些型別的電容，都需要靠近其電源引腳連線乙個電容，此電容值通常為0.1mf。系統供電電源側需要另一類電容，通常此電容值大約為10mf。
這些電容的位置如圖1所示。電容取值範圍為推薦值的1/10至10倍之間。但引腳須較短，且要盡量靠近器件(對於0.1mf電容)或供電電源(對於10mf電容)。
在電路板上加旁路或去耦電容，以及這些電容在板上的位置，對於數字和模擬設計來說都屬於常識。但有趣的是，其原因卻有所不同。在模擬佈線設計中，旁路電容通常用於旁路電源上的高頻訊號，如果不加旁路電容，這些高頻訊號可能通過電源引腳進入敏感的模擬晶元。
一般來說，這些高頻訊號的頻率超出模擬器件抑制高頻訊號的能力。如果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在訊號路徑上引入雜訊，更嚴重的情況甚至會引起振動。
圖1 在模擬和數字pcb設計中，旁路或去耦電容(1mf)應盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10mf)應放置在電路板的電源線入口處。所有情況下，這些電容的引腳都應較短
圖2 在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由於這種不恰當的配合，電路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大
圖3 在此單面板中，到電路板上器件的電源線和地線彼此靠近。此電路板中電源線和地線的配合比圖2中恰當。電路板中電子元器件和線路受電磁干擾(emi)的可能性降低了679/12.
8倍或約54倍
對於控制器和處理器這樣的數字器件，同樣需要去耦電容，但原因不同。這些電容的乙個功能是用作「微型」電荷庫。在數位電路中，執行門狀態的切換通常需要很大的電流。
由於開關時晶元上產生開關瞬態電流並流經電路板，有額外的「備用」電荷是有利的。如果執行開關動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發生很大變化。電壓變化太大，會導致數碼訊號電平進入不確定狀態，並很可能引起數字器件中的狀態機錯誤執行。
流經電路板走線的開關電流將引起電壓發生變化，電路板走線存在寄生電感，可採用如下公式計算電壓的變化：v = ldi/dt
其中，v = 電壓的變化；l = 電路板走線感抗；di = 流經走線的電流變化；dt =電流變化的時間。
因此，基於多種原因，在供電電源處或有源器件的電源引腳處施加旁路(或去耦)電容是較好的做法。
電源線和地線要布在一起
電源線和地線的位置良好配合，可以降低電磁干擾的可能性。如果電源線和地線配合不當，會設計出系統環路，並很可能會產生雜訊。電源線和地線配合不當的pcb設計示例如圖2所示。
此電路板上，設計出的環路面積為697cm2。採用圖3所示的方法，電路板上或電路板外的輻射雜訊在環路中感應電壓的可能性可大為降低。
模擬和數字領域佈線策略的不同之處
地平面是個難題
電路板佈線的基本知識既適用於模擬電路，也適用於數位電路。乙個基本的經驗準則是使用不間斷的地平面，這一常識降低了數位電路中的di/dt(電流隨時間的變化)效應，這一效應會改變地的電勢並會使雜訊進入模擬電路。數字和模擬電路的佈線技巧基本相同，但有一點除外。
對於模擬電路，還有另外一點需要注意，就是要將數字訊號線和地平面中的迴路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下做法來實現：將模擬地平面單獨連線到系統地連線端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠端，也就是線路的末端。
這樣做是為了保持訊號路徑所受到的外部干擾最小。對於數位電路就不需要這樣做，數位電路可容忍地平面上的大量雜訊，而不會出現問題。
圖4 (左)將數字開關動作和模擬電路隔離，將電路的數字和模擬部分分開。 (右) 要盡可能將高頻和低頻分開，高頻元件要靠近電路板的接外掛程式
圖5 在pcb上布兩條靠近的走線，很容易形成寄生電容。由於這種電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化，可在另一條走線上產生電流訊號
圖6 如果不注意走線的放置，pcb中的走線可能產生線路感抗和互感。這種寄生電感對於包含數字開關電路的電路執行是非常有害的
元件的位置
如上所述，在每個pcb設計中，電路的雜訊部分和「安靜」部分(非雜訊部分)要分隔開。一般來說，數位電路「富含」雜訊，而且對雜訊不敏感(因為數位電路有較大的電壓雜訊容限)；相反，模擬電路的電壓雜訊容限就小得多。兩者之中，模擬電路對開關雜訊最為敏感。
在混合訊號系統的佈線中，這兩種電路要分隔開， 如圖4所示。
pcb設計產生的寄生元件
pcb設計中很容易形成可能產生問題的兩種基本寄生元件：寄生電容和寄生電感。設計電路板時，放置兩條彼此靠近的走線就會產生寄生電容。
可以這樣做：在不同的兩層，將一條走線放置在另一條走線的上方；或者在同一層，將一條走線放置在另一條走線的旁邊，如圖5所示。在這兩種走線配置中，一條走在線電壓隨時間的變化(dv/dt)可能在另一條走線上產生電流。
如果另一條走線是高阻抗的，電場產生的電流將轉化為電壓。
快速電壓瞬變最常發生在模擬訊號設計的數字側。如果發生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線，這種誤差將嚴重影響模擬電路的精度。在這種環境中，模擬電路有兩個不利的方面：
其雜訊容限比數位電路低得多；高阻抗走線比較常見。
採用下述兩種技術之一可以減少這種現象。最常用的技術是根據電容的方程，改變走線之間的尺寸。要改變的最有效尺寸是兩條走線之間的距離。
應該注意，變數 d在電容方程的分母中，d增加，容抗會降低。可改變的另乙個變數是兩條走線的長度。在這種情況下，長度l降低，兩條走線之間的容抗也會降低。
超強PCB佈線設計經驗談附原理圖
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超強PCB佈線設計經驗談附原理圖 五
要解決訊號完整性問題，最好有多個工具分析系統效能。如果在訊號路徑中有乙個a d轉換器，那麼當評估電路效能時，很容易發現三個基本問題 所有這三種方法都評估轉換過程，以及轉換過程與佈線及電路其它部分的互動作用。三個關注的方面涉及到頻域分析 時域分析和直流分析技術的使用。本文將 如何使用這些工具來確定與電...
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