信號的環(huán)路高手技巧

1、PCB 信號的環(huán)路高手技巧PCB 設(shè)計指南1. 靜電放電之前靜電場的效應(yīng)2. 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)3. 靜電放電電生的場效應(yīng)盡管印刷線路板（PWB，通常也稱之為 PCB）的設(shè)計會對上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。下面的討論將第三條所述的問題給出設(shè)計指南。通常，源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減?。ㄟ@些通用方法也會在其它討論場的章節(jié)中提到）：1. 在源端使用濾波器以衰減信號2. 在接收端使用濾波器以衰減信號3. 增加距離以減小耦合4. 降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合5. 將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合6. 在接收天線與發(fā)射天線之間加7. 減

2、小發(fā)射及接收天線的阻抗來減小電場耦合8. 增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來減小磁場耦合9. 采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層 PCB 板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式在具體設(shè)計中，如電場或磁場占主導(dǎo)地位，應(yīng)用方法 7 和 8 就可以解決。然而，靜電放電一般同時產(chǎn)生電場和磁場，這說明方法 7 將電場的抗擾度，但同時會使磁場的抗擾度降低。方法 8 則與方法 7 帶來的效果相反。所以，方法 7 和 8 并不是完善的解決方案。不管是電場還是磁場，使用方法 1 6 與 9都會取得一定的效果，但 PCB 設(shè)計的解決方法主要取決于方法 3 6 和 9 的綜合使用。下面詳細闡述通過方法 3 6 和

3、9 解決問題的六條實踐法則及其所在。一、保持環(huán)路面積最小任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，將會在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗的之處是如何找到環(huán)路。每個人都知道圖 16 中所示的環(huán)路，但要正確識別圖 17 中所示的環(huán)路則比較。圖 16 簡單的 PCB 回路第 1 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB信號的環(huán)路高手技巧圖 17 電源線與地線的 PCB 回路與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來減小環(huán)路面積：A、 電源線與地線應(yīng)緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖

4、 18 示例說明了電源線與地線同集成電路連接的幾種不同方法。圖 18 電源與地形成的環(huán)路面積的減小B、多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀。圖 19 和圖 20 說明了這一點：在這個典型的 PCB 設(shè)計中，PCB 的一面布垂直線，而另一面則布水平線（此圖中僅畫出地線）。如圖 19 所示，這個典型的地線結(jié)構(gòu)會使環(huán)路面積很大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，如圖 20 所示。網(wǎng)格的環(huán)路面積小得多，這將使感應(yīng)電流很低，出現(xiàn)問題的可能性也較小。插在底板（或母板）PCB 上的 PCB 板，應(yīng)該有多個地線和電源線節(jié)點，且在連接器長度方向上均勻布置。第 2 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB信號

5、的環(huán)路高手技巧這將有利于減小整個系統(tǒng)的環(huán)路面積。圖 19 典型的 PCB 地線結(jié)構(gòu)第 3 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB 信號的環(huán)路高手技巧圖 20 地線網(wǎng)格上述步驟A 和B 既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時也可減小環(huán)路天線的效能，下面講的步驟 C和D 將降低天線及信號線的效率。C、 并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導(dǎo)線。圖 21 表明了這一原則。這就是說， 地平面不應(yīng)有大的開口，因為這些開口如同平行導(dǎo)線一般，其作用等同于環(huán)路天線。圖 21 縮短平行路徑D、 信號線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號線的旁邊安排一條地線。不過，這也許會產(chǎn)生很多平行地線。為了避免這

6、個問題，如前所述，可采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單條地線。一個例子如圖 22 所示。在這里，假設(shè)由于某種信號線不能移動。第 4 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB信號的環(huán)路高手技巧圖 22 信號線與地線緊挨著布線線面，如圖 23 所示。實際上，將空余 PCB 部分填以地線面是個好可在與信號線相對的一面上布辦法 。第 5 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB 信號的環(huán)路高手技巧圖 23 信號線與地線或地平面的分層布線E、 特別敏感的器件之間的較長的電源線或信號線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對調(diào)一下。對調(diào)的含義是將一根導(dǎo)線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。圖

7、24 表明了這種方法與減小環(huán)路面積的等同效果：對調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后，只有較小的環(huán)路存在。F、 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因為在靜電放電較低的頻率段，旁路電容的阻抗較低，在這些頻率處，旁路電容能有效減小電源與地間的環(huán)路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由于寄生電感的影響，即使是高頻電容，其作用也很有限。當(dāng)然，電源線與地線彼此靠得越近，濾波電容的效果就越不明顯。因為環(huán)路面積已經(jīng)足夠小了。圖 25和 26 說明了這種效果。即使在每個元件旁邊都安裝旁路電容器，圖 25 中的電路仍有很大的環(huán)路面積。 相關(guān)貼圖 圖 25 安裝旁路電容器的大環(huán)路面積 相關(guān)貼圖 第 6 頁共 9 頁2007-1-31陳家

8、能PCB 信號的環(huán)路高手技巧圖 26 安裝旁路電容的小環(huán)路面積圖 26 中所示的電路，由于將電源線與地線緊挨著放在一起布置，使得環(huán)路面積大大減小。然而，即使將電源線與地線并列分布，較長的導(dǎo)線仍會導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。二、使導(dǎo)線長度盡量短天線要具有較高的效率，其長度必須是波長很大的一部分。這就是說，較長的導(dǎo)線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的的頻率成份；而較短的導(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此，短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場中接收并饋入電路的能量較少。使導(dǎo)線盡可能短是一個比是環(huán)路面積盡量小更容易實現(xiàn)的措施。因為它不象信號環(huán)路那樣不容易識別， 環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導(dǎo)線的長短則是很顯然的。有

9、關(guān)設(shè)計步驟如下：a) 使所有元件緊靠在一起，PCB 設(shè)計不應(yīng)將元件過于分散而占用的面積；b) 在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O 器件是與 I/O 連接器盡量靠得近些；c)可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號，而不要從線路板邊緣饋送，如圖 27 所示，中間的饋送信號使大多數(shù)元件的連線最短。當(dāng)線路板為正方形時，這樣做的效果最明顯，當(dāng)線路板狹長時，效果則不很明顯。但只要可能，還是應(yīng)該盡量這樣做。前面提出的 PCB 設(shè)計規(guī)則主要靜電放電電生的場效應(yīng)。但值得注意的是，前面介紹的降低天線效率的方法，這也有助于防止共模噪聲轉(zhuǎn)化成會帶來更煩的差模噪聲，這在本章開始列出

10、的一般性方法的第 9 條中已提及過。之所以有這樣的效果，是因為前述的各種步驟都有助于減小各種 PCB 回路的阻抗差異。例如，規(guī)則一中的步驟D 特別有用，因為這樣處理會使信號線與相關(guān)地線的回路阻抗幾乎相等。因此，串入到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近，產(chǎn)生的差模噪聲極小。另外，PCB 設(shè)計也能采取措施減小由于靜電場和電荷注入所帶來的問題。下面講述的規(guī)則就與這個問題有關(guān)，你會發(fā)現(xiàn)有幾個規(guī)則與前述規(guī)則相同。三、盡可能在 PCB 上使用完整的地線面（建議采用多層板）前面已提到過，地線面有助于減小環(huán)路面積，同時也降低了接收天線的效率。地線面作為一個重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減

11、小靜電場帶來的問題。PCB 地線面也可作為其對面信號體（當(dāng)然，地線面的開口越大，其效能就越低）。另外，如果發(fā)生放電，由于 PCB 板的地平線的面很大，電荷很容易注入到地線面中，而不是進入到信號線中。這樣將有利于對元件進行保護，因為在引起元件損壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞器件，應(yīng)采取措施加以避免）四、加強電源線和地線之間的電容耦合電源線與地線間的耦合通過兩種方式來實現(xiàn)，這在前面已經(jīng)提到過。A、 使電源線與地線靠得很近，或采用多層 PCB 板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生的寄生電容。B、在電源線與地線之間接入高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場合）

12、。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問題。兩個物體之間由各個物體上電荷量的差異造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果 X 庫侖的電荷注入到電源線中，就會在電源線和地線間產(chǎn)生 Y 伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X 庫侖的電荷將僅僅產(chǎn)生 Y/2 伏的電壓。當(dāng)然，這個較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。第 7 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB 信號的環(huán)路高手技巧五、電子元件與靜電放電電荷源在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過來解決。對于 PCB 設(shè)計，這主要指將電子儀器與可能的電荷源開，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號線相?？刹扇?/p>

13、以下兩個步驟來進行：A、 使電子元件與 PCB 走線遠離會地方）。B、 使電子元件和 PCB 走線遠離會在靜電放電中的 PCB 部分（例如，操作可直接觸摸到的在靜電放電中的任意一個金屬物體（包括螺釘、機架、連接器外殼等）。后一個要求小于下面的設(shè)計規(guī)則相關(guān)聯(lián)。六、PCB 上的機殼地線的阻抗要低，要好盡管 PCB 軌線上的阻焊層有利于PCB 走線，但阻焊層可能會導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。A、易于通過，就到電路中好得多。機殼地線的最好方法是使之遠離電子儀器。另外，如果機殼地線的阻抗很低，靜電放電電流發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會產(chǎn)生更強的場，但這比電荷通過電弧直接注入B、 機殼地線的長度不能超過其寬

14、度的四或五倍。比這個比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會使其阻抗大幅度增加。這個長寬比例意味著機殼地線必須很短才行，否則當(dāng)?shù)鼐€增長時，其寬度要很寬。設(shè)計規(guī)則的優(yōu)先級至此，關(guān)于防止靜電放電危害的 PCB 設(shè)計技術(shù)的討論已告一段落。當(dāng)然，有些時候，這些規(guī)則不能全部滿足。這時，必須有意識地對一些東西進行取舍。本章開始部分提出三類潛在的靜電放電危害可用于確定處理靜電放電問題的一般順序。通常是采用以下順序來進行考慮：1、 防止電荷注入到系統(tǒng)電路，因為這會造成損壞電路。2、 防止靜電放電電3、 防止靜電場。所幸的是，這些規(guī)則的大部分都是兼容的，在典型的 PCB 設(shè)計中，所有的問題

15、都可以得到很好的解決。生的場帶來的問題。PCB 設(shè)計指南總結(jié)對于靜電放電問題的解決方案，可按以下十二條規(guī)則來進行（按優(yōu)先順序排列）：1、 PCB 上的非絕緣機殼地線必須與其他走線相距至少 2.2 毫米。這適用于連接到機殼地上的所有物體，包括軌線；2、 機殼地線的長度不應(yīng)超過其寬度的五倍；3、 使未絕緣的電路與操作可觸摸到的 PCB 區(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少 2 厘米以上；4、 電源線與地線要么并排平行地放在 PCB 的同一層上，要么放在相鄰的兩層；5、 地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個方向上，垂直地線與水平地線至少每隔 6 厘米連接一次。尤其是雙面 PCB 板，也就是說，PCB 板

16、的第一層可以布水平的地線，而第二層可布垂直的地線，必須至少每隔 6 厘米放置一個過孔以將兩者相連（當(dāng)然，在小于 6 厘米的地方進行連接是更好的，地平面比地線網(wǎng)格要好一些）；6、 所有信號線必須在地線面邊緣或地線以內(nèi) 13 毫米以上。地線既可以布在與信號線相同的層，也可布在與之第 8 頁共 9 頁2007-1-31陳家能PCB 信號的環(huán)路高手技巧緊挨著的層上。如果信號線的長度達到 30 厘米或其以上，則必須在其旁邊放置一根地線，在信號線上方或其相鄰面上放線也是可以的；7、 電源線與地線之間跨接的旁路電容器，彼此之間的距離不能大于 8 厘米（這樣每片集成塊可能會有多個旁路電容相連）；8、 相互之間連線較多的元件要靠在一起；9、 所有元件必須盡可能靠近 I/O 連