深入淺出談多層面板布線技巧

1、深入淺出談多層面板布線技巧（1）面板在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的電池供電市場(chǎng)中，由于成本指標(biāo)限制，設(shè)計(jì)人員常常使用雙面板。盡管多層板（4層、6 層及8層）方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線策略，采 用雙面板。在本文中，我們將討論自動(dòng)布線功能的正確使用和錯(cuò)誤使用，有無(wú)地平面時(shí)電流回路的設(shè)計(jì)策 略，以及對(duì)雙面板元件布局的建議。自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線的注意事項(xiàng)設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線。通常，純數(shù)字的電路板（尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí)） 采用自動(dòng)布線是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布 線工具，可能

2、會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，甚至很可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。例如，圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線層的 電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設(shè)計(jì)此混合信號(hào)電路板時(shí)，經(jīng)仔細(xì)考慮，將器件手工放在板上，以便將 數(shù)字和模擬器件分開(kāi)放置。圖1采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層圖2采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層采用這種布線方案時(shí)，有幾個(gè)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(guò)走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過(guò)電路板最右側(cè)的過(guò)孔連接。當(dāng)檢查這種布線策略 時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外

3、，還會(huì)發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號(hào)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(zhuǎn)換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125）放在電路板的最 右側(cè)，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì)有數(shù)字地信號(hào)經(jīng)過(guò)圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時(shí)，為確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量采用地平面作為電 流回路；將模擬地平面和數(shù)字地平面分開(kāi)；如果地平面被信號(hào)走線隔斷，為降低對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng) 使信號(hào)走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣 做可以降低由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。這兩種雙面

4、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(wèn)題，使其可快速明了電路板的布線。 廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。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。MCFIOO部FICieFB76MCFIOO部FICieFB76gTKH 賢t - WX8 W ； ferMxX! HWYU m tri T3明圖3a圖1、圖2、圖4和圖5中布線的電路原理圖圖3b圖1、圖2、圖4和圖5中布線的模擬部分電路原理圖有無(wú)地平面時(shí)的電流回路設(shè)計(jì)對(duì)于電流回路，需要注意如下基本事項(xiàng)：1.如果使用走線，應(yīng)將其盡量加粗。PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)將走線盡量加粗。 這是一個(gè)好

5、的經(jīng)驗(yàn)法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度，此處“末端” 指距離電源連接端最遠(yuǎn)的點(diǎn)。2.應(yīng)避免地環(huán)路。3.如果不能采用地平面，應(yīng)采用星形連接策略（見(jiàn)圖6）。通過(guò)這種方法，地電流獨(dú)立返回電源連接 端。圖6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和 第5條準(zhǔn)則，是可以這樣做的。4.數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件。數(shù)字器件開(kāi)關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，但只是瞬時(shí)的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。 對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分，計(jì)算公式為V=Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線 的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是

6、持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響，其計(jì)算公式為V=RI,其中， V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過(guò)模擬器件的地平面 或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系（即信號(hào)的對(duì)地電壓）。5.高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。與上述類似，高速電路的地返回信號(hào)也會(huì)造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同，對(duì) 于地平面或接地走線的感抗，V=Ldi/dt；對(duì)于地平面或接地走線的阻抗，V=RI。與數(shù)字電流一樣，高速電 路的地平面或接地走線經(jīng)過(guò)模擬器件時(shí)，地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。圖4采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電

7、路板的頂層圖5采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層圖6如果不能采用地平面，可以采用“星形”布線策略來(lái)處理電流回路功率掙出緝悟布仆側(cè)援捕他邛片PL）功率掙出緝悟布仆側(cè)援捕他邛片PL）幌樞電踽:；苗懈i或字電髭：:禳抵也由:1 片扒代圖7分隔開(kāi)的地平面有時(shí)比連續(xù)的地平面有效，圖b）接地布線策略比圖a）的接地策略理想6.不管使用何種技術(shù)，接地回路必須設(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗。7.如使用地平面，分隔開(kāi)地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹(jǐn)慎使用。分開(kāi)模擬和數(shù)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插件，但是與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電源電路的開(kāi)關(guān)電流隔離開(kāi)了。這是分隔開(kāi)接地 回路的非常

8、有效的方法，我們?cè)谇懊嬗懻摰膱D4和圖5的布線也采用了這種技術(shù)。（2）層板二、工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計(jì)人員和數(shù)字電路板設(shè)計(jì)專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。盡管對(duì)數(shù) 字設(shè)計(jì)的重視帶來(lái)了電子產(chǎn)品的重大發(fā)展，但仍然存在，而且還會(huì)一直存在一部分與模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口 的電路設(shè)計(jì)。模擬和數(shù)字領(lǐng)域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結(jié)果時(shí)，由于其布線策略不同， 簡(jiǎn)單電路布線設(shè)計(jì)就不再是最優(yōu)方案了。本文就旁路電容、電源、地線設(shè)計(jì)、電壓誤差和由PCB布線引起 的電磁干擾(EMI)等幾個(gè)方面，討論模擬和數(shù)字布線的基本相似之處及差別。模擬和數(shù)字布線策略的相似之處旁路或去耦電容在布線時(shí)，模擬器件和數(shù)字器件都需要

9、這些類型的電容，都需要靠近其電源引腳連接一個(gè)電容，此電容值 通常為0.1mF。系統(tǒng)供電電源側(cè)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。電容取值范圍為推薦值的1/10至10倍之間。但引腳須較短，且要盡量靠近 器件(對(duì)于0.1mF電容)或供電電源(對(duì)于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(duì)于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都屬于常識(shí)。但有 趣的是，其原因卻有所不同。在模擬布線設(shè)計(jì)中，旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號(hào)，如果不加旁 路電容，這些高頻信號(hào)可能通過(guò)電源引腳進(jìn)入敏感的模擬芯片。一般來(lái)說(shuō)，這些高頻信號(hào)的頻率超出模擬 器件抑制高頻信號(hào)的能力。如

10、果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在信號(hào)路徑上引入噪聲，更嚴(yán) 重的情況甚至?xí)鹫駝?dòng)。圖1在模擬和數(shù)字PCB設(shè)計(jì)中，旁路或去耦電容(1mF)應(yīng)盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10mF)應(yīng) 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(yīng)較短圖2在此電路板上，使用不同的路線來(lái)布電源線和地線，由于這種不恰當(dāng)?shù)呐浜?，電路板的電子元器件?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(dāng)。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(duì)于控制器和處理器這樣的數(shù)字器

11、件，同樣需要去耦電容，但原因不同。這些電容的一個(gè)功能是用作“微 型”電荷庫(kù)。在數(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換通常需要很大的電流。由于開(kāi)關(guān)時(shí)芯片上產(chǎn)生開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電 流并流經(jīng)電路板，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)沒(méi)有足夠的電荷，會(huì)造成電源電 壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平進(jìn)入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài) 機(jī)錯(cuò)誤運(yùn)行。流經(jīng)電路板走線的開(kāi)關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，電路板走線存在寄生電感，可采用如下公 式計(jì)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(jīng)走線的電流變化；dt =電流變化的時(shí)間。 因此，基于多種原因，在

12、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(dāng)，會(huì)設(shè)計(jì)出系統(tǒng) 環(huán)路，并很可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)示例如圖2所示。此電路板上，設(shè)計(jì)出的環(huán)路面積為697cm2。采用圖3所示的方法，電路板上或電路板外的輻射噪聲在環(huán)路 中感應(yīng)電壓的可能性可大為降低。模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線策略的不同之處地平面是個(gè)難題電路板布線的基本知識(shí)既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是使用不間斷的地平 面，這一常識(shí)降低了數(shù)字電路中的dI/dt(電流隨時(shí)間的變化)效應(yīng)，這一

13、效應(yīng)會(huì)改變地的電勢(shì)并會(huì)使噪聲 進(jìn)入模擬電路。數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點(diǎn)除外。對(duì)于模擬電路，還有另外一點(diǎn)需要 注意，就是要將數(shù)字信號(hào)線和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過(guò)如下做法來(lái)實(shí)現(xiàn)：將模 擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠(yuǎn)端，也就是線路的末端。這樣做 是為了保持信號(hào)路徑所受到的外部干擾最小。對(duì)于數(shù)字電路就不需要這樣做，數(shù)字電路可容忍地平面上的 大量噪聲，而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。圖4 (a)將數(shù)字開(kāi)關(guān)動(dòng)作和模擬電路隔離，將電路的數(shù)字和模擬部分分開(kāi)。(b)要盡可能將高頻和低頻分 開(kāi)，高頻元件要靠近電路板的接插件圖5在PCB上布兩條靠近的走線，很容

14、易形成寄生電容。由于這種電容的存在，在一條走線上的快速電壓 變化，可在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)圖6如果不注意走線的放置，PCB中的走線可能產(chǎn)生線路感抗和互感。這種寄生電感對(duì)于包含數(shù)字開(kāi)關(guān)電 路的電路運(yùn)行是非常有害的元件的位置如上所述，在每個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字 電路“富含”噪聲，而且對(duì)噪聲不敏感(因?yàn)閿?shù)字電路有較大的電壓噪聲容限)；相反，模擬電路的電壓噪 聲容限就小得多。兩者之中，模擬電路對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲最為敏感。在混合信號(hào)系統(tǒng)的布線中，這兩種電路要分 隔開(kāi)，如圖4所示。PCB設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生元件PCB設(shè)計(jì)中很容易形成可能產(chǎn)生問(wèn)題的兩種基本寄

15、生元件：寄生電容和寄生電感。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，放置兩 條彼此靠近的走線就會(huì)產(chǎn)生寄生電容?？梢赃@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，一條走線上電 壓隨時(shí)間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的，電場(chǎng)產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn) 化為電壓。快速電壓瞬變最常發(fā)生在模擬信號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字側(cè)。如果發(fā)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(yán)重影響模擬電路的精度。在這種環(huán)境中，模擬電路有兩個(gè)不利的方面：其噪聲容限比數(shù)字電路 低得多；高阻抗走線比較常見(jiàn)。采用下述兩種技術(shù)之一可以減少這種

16、現(xiàn)象。最常用的技術(shù)是根據(jù)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(yīng)該注意，變量d在電容方程的分母中，d增加，容抗會(huì)降低。 可改變的另一個(gè)變量是兩條走線的長(zhǎng)度。在這種情況下，長(zhǎng)度L降低，兩條走線之間的容抗也會(huì)降低。另一種技術(shù)是在這兩條走線之間布地線。地線是低阻抗的，而且添加這樣的另外一條走線將削弱產(chǎn)生干擾 的電場(chǎng)，如圖5所示。電路板中寄生電感產(chǎn)生的原理與寄生電容形成的原理類似。也是布兩條走線，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的旁邊，如圖6所示。在這兩種走線 配置中，一條走線上電流隨時(shí)間的變化(dI/dt)，由

17、于這條走線的感抗，會(huì)在同一條走線上產(chǎn)生電壓；并 由于互感的存在，會(huì)在另一條走線上產(chǎn)生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可 能會(huì)降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。并不只是在數(shù)字電路中才會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象在數(shù)字 電路中比較常見(jiàn)，因?yàn)閿?shù)字電路中存在較大的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電流。為消除電磁干擾源的潛在噪聲，最好將“安靜”的模擬線路和噪聲I/O端口分開(kāi)。要設(shè)法實(shí)現(xiàn)低阻抗的電 源和地網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。結(jié)語(yǔ)數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎地布線對(duì)獲得成功的PCB至關(guān)重要。布線策略通常作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則向大家介紹， 因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試出產(chǎn)品的最終成功

18、與否。因此，盡管數(shù)字和模擬電路的布線策略存在相似之 處，還是要認(rèn)識(shí)到并認(rèn)真對(duì)待其布線策略的差別。三、寄生元件危害最大的情況印刷電路板布線產(chǎn)生的主要寄生元件包括：寄生電阻、寄生電容和寄生電感。例如：PCB的寄生電阻由元 件之間的走線形成；電路板上的走線、焊盤和平行走線會(huì)產(chǎn)生寄生電容；寄生電感的產(chǎn)生途徑包括環(huán)路電 感、互感和過(guò)孔。當(dāng)將電路原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際的PCB時(shí)，所有這些寄生元件都可能對(duì)電路的有效性產(chǎn)生干 擾。本文將對(duì)最棘手的電路板寄生元件類型一寄生電容進(jìn)行量化，并提供一個(gè)可清楚看到寄生電容對(duì)電 路性能影響的示例。圖1在PCB上布兩條靠近的走線，很容易產(chǎn)生寄生電容。由于這種寄生電容的存在，在一條

19、走線上的快速 電壓變化會(huì)在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)。圖2用三個(gè)8位數(shù)字電位器和三個(gè)放大器提供65536個(gè)差分輸出電壓，組成一個(gè)16位D/A轉(zhuǎn)換器。如果 系統(tǒng)中的VDD為5V，那么此D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率或LSB大小為76.3mV。圖3這是對(duì)圖2所示電路的第一次布線嘗試。此配置在模擬線路上產(chǎn)生不規(guī)律的噪聲，這是因?yàn)樵谔囟〝?shù) 字走線上的數(shù)據(jù)輸入碼隨著數(shù)字電位器的編程需求而改變。寄生電容的危害大多數(shù)寄生電容都是靠近放置兩條平行走線引起的?？梢圆捎脠D1所示的公式來(lái)計(jì)算這種電容值。在混合信號(hào)電路中，如果敏感的高阻抗模擬走線與數(shù)字走線距離較近，這種電容會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。例如，圖2 中的電路就很可能存在這種問(wèn)題。為

20、講解圖2所示電路的工作原理，采用三個(gè)8位數(shù)字電位器和三個(gè)CMOS運(yùn)算放大器組成一個(gè)16位D/A轉(zhuǎn) 換器。在此圖的左側(cè)，在VDD和地之間跨接了兩個(gè)數(shù)字電位器（U3a和U3b），其抽頭輸出連接到兩個(gè)運(yùn)放（U4a 和U4b）的正相輸入端。數(shù)字電位器U2和U3通過(guò)與單片機(jī)（U1）之間的SPI接口編程。在此配置中，每個(gè)數(shù) 字電位器配置為8位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器。如果VDD為5V，那么這些D/A轉(zhuǎn)換器的LSB大小等于19.61mV。 這兩個(gè)數(shù)字電位器的抽頭都分別連接到兩個(gè)配置了緩沖器的運(yùn)放的正相輸入端。在此配置中，運(yùn)放的輸入 端是高阻抗的，將數(shù)字電位器與電路其它部分隔離開(kāi)了。這兩個(gè)放大器配置為其輸出擺幅限制

21、不會(huì)超出第 二級(jí)放大器的輸入范圍。圖4在此示波器照片中，最上面的波形取自JP1（到數(shù)字電位器的數(shù)字碼），第二個(gè)波形取自JP5（相鄰模擬走線上的噪聲），最下面的波形取自TP10（16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出端的噪聲）。圖5采用這種新的布線，將模擬線路和數(shù)字線路隔離開(kāi)了。增大走線之間的距離，基本消除了在前面布線 中造成干擾的數(shù)字噪聲。圖6圖中示出了采用新布線的16位D/A轉(zhuǎn)換器的單個(gè)碼轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)沒(méi)有造 成數(shù)字噪聲。為使此電路具有16位D/A轉(zhuǎn)換器的性能，采用第三個(gè)數(shù)字電位器（U2a）跨接在兩個(gè)運(yùn)放（U4a和U4b）的輸出 端之間。U3a和U3b的編程設(shè)定經(jīng)數(shù)字電位器后的電壓值。

22、如果VDD為5V，可以將U3a和U3b的輸出編程 為相差19.61mV。此電壓大小經(jīng)第三個(gè)8位數(shù)字電位器R3,則自左至右整個(gè)電路的LSB大小為76.3mV。此 電路獲得最優(yōu)性能所需的嚴(yán)格器件規(guī)格如表1所示。此電路有兩種基本工作模式。第一種模式可用于獲得可編程、可調(diào)節(jié)的直流差分電壓。在此模式中，電路 的數(shù)字部分只是偶爾使用，在正常工作時(shí)不使用。第二種模式是可以將此電路用作任意波形發(fā)生器。在此 模式中，電路的數(shù)字部分是電路運(yùn)行的必需部分。此模式中可能發(fā)生電容耦合的危險(xiǎn)。圖2所示電路的第一次布線如圖3所示。此電路是在實(shí)驗(yàn)室中快速設(shè)計(jì)出的，沒(méi)有注意細(xì)節(jié)。在檢查布線 時(shí)，發(fā)現(xiàn)將數(shù)字走線布在了高阻抗模擬線

23、路的旁邊。需要強(qiáng)調(diào)的是，第一次就應(yīng)該正確布線，本文的目的 是為了講解如何識(shí)別問(wèn)題及如何對(duì)布線做重大改進(jìn)?？匆幌麓瞬季€中不同的走線，可以明顯看到哪里可能存在問(wèn)題。圖中的模擬走線從U3a的抽頭連接到U4a 放大器的高阻抗輸入端。圖中的數(shù)字走線傳送對(duì)數(shù)字電位器設(shè)置進(jìn)行編程的數(shù)字碼。在測(cè)試板上經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)數(shù)字走線中的數(shù)字信號(hào)耦合到了敏感的模擬走線中，參見(jiàn)圖4。系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)沿著走線逐漸傳輸?shù)捷敵鲋绷麟妷旱哪M線路。此噪聲通過(guò)電路的模 擬部分一直傳播到第三個(gè)數(shù)字電位器（U5a）。第三個(gè)數(shù)字電位器在兩個(gè)輸出狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。解決這個(gè)問(wèn)題的 方法主要是分隔開(kāi)走線，圖5示出了改進(jìn)的布線方案。改

24、變布線的結(jié)果如圖6所示。將模擬和數(shù)字走線仔細(xì)分開(kāi)后，電路成為非?！案蓛簟钡?6位D/A轉(zhuǎn)換器。 圖中的波形是第三個(gè)數(shù)字電位器的單碼轉(zhuǎn)換結(jié)果76.29mV。結(jié)語(yǔ) 數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎布線對(duì)獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。尤其是有源數(shù)字走線靠近高阻抗模擬 走線時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重的耦合噪聲，這只能通過(guò)增加走線之間的距離來(lái)避免。（3）層板摘要詳細(xì)介紹有關(guān)電路板的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程以及應(yīng)注意的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)普通元器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則；比較手工布線、自動(dòng)布線及交互式布線的優(yōu)點(diǎn) 及不足之處；介紹PCB電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。結(jié)合親身設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)，以基于ARM、自主

25、移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)單介紹有關(guān)四層電路 板的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程以及應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題。印制電路板（PCB）在電子產(chǎn)品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時(shí)還提供電路元件和器件之間的電氣連接。其實(shí)，PCB的設(shè)計(jì)不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這 樣簡(jiǎn)單，它的好壞對(duì)產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大.甚至對(duì)今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高，使 得PCB上元器件的密度大幅提高，這也就增加了 PCB設(shè)計(jì)、加工的難度。因此，可以這樣說(shuō)， PCB設(shè)汁始終是電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容之一。1布局所謂布局就是把電路圖中

26、所有元器件都合理地安排在面積有限的PCB上。從信號(hào)的角度講，主要有數(shù)字信號(hào)電路板、模擬信號(hào)電路板以及混合信號(hào)電路板3種。在設(shè)計(jì)混合信號(hào)電 路板時(shí)，一定要仔細(xì)考慮，將元器件通過(guò)手工方式擺放在電路板的合適位置，以便將數(shù)字和 模擬器件分開(kāi)。在安排PCB的布局過(guò)程巾，最關(guān)鍵的問(wèn)題是：開(kāi)關(guān)、按鈕、旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件（簡(jiǎn) 稱“特殊元件”）等，必須事先安排到指定（合適）的位置上。放置好之后，可以設(shè)置元器什 的屬性，將LOCK項(xiàng)選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動(dòng)；而對(duì)于其他元器件的位 置安排，必須同時(shí)兼顧布線的布通率和電氣性能的最優(yōu)化，以及今后的生產(chǎn)工藝和造價(jià)等多 方面因素.所謂的“兼顧”往往是對(duì)設(shè)

27、計(jì)工作人員水平和經(jīng)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。1.1特殊元件的布局原則應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短元器件之間的連線，設(shè)法減小它們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾。那些易 受電磁干擾的元器件不能挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量彼此遠(yuǎn)離。某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，因此應(yīng)加大它們之間的距離，以避免放電而引起意 外的短路；同時(shí)從安全的角度考慮，帶高壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。對(duì)于質(zhì)量超過(guò)15g的兀器件，應(yīng)當(dāng)使用支架加以固定后，再進(jìn)行焊接。那些又大又重、發(fā)熱量大 的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上；且要考慮散熱問(wèn)題，熱敏元器件應(yīng)當(dāng) 遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。對(duì)于電位器、可凋電感線、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)

28、關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。 若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，則應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，則其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱 面板上的位置相適應(yīng)。1.2普通元器件的布局按照電路的流程安排各個(gè)電路單元的位置，使布局便于信號(hào)的流通，并且盡量使信號(hào)能夠保持一 致的方向。以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊湊地排列在 PCB上.盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般情況下，電路應(yīng)盡可能使元器件平行 排列，不僅可以達(dá)到美觀的效果，而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm；電

29、路板的最佳形狀為矩形，其長(zhǎng)寬比 可為3： 2或4： 3。當(dāng)電路板面尺寸大于200mmX150mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所承受的機(jī)械強(qiáng)度。若在 實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)并不能確定PCB板所需的尺寸，則可以設(shè)計(jì)得稍微大一些。待PCB設(shè)計(jì)工 作結(jié)束后，可在 ProtelDXP 中選擇 DesignBoardShapeRedefineBoardShape 操作，對(duì)原先的 PCB 進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?。另外，根?jù)本人的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，若要對(duì)巳有的電路板進(jìn)行某些功能的擴(kuò)充或縮減，需要重新設(shè)計(jì)新的PCB，則在實(shí)際布局時(shí)可以參照母板上的布局，通過(guò)手工方式將元器件安排 在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?；在布線過(guò)程中，再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)

30、一步提高布通率。2布線布線是在布局之后，通過(guò)設(shè)汁銅箔的走線圖，按照原理圖連通所有的走線。顯然，布局的合理程度將直接影響到布線的成功率，因而往往在布線的整個(gè)過(guò)程中，都需要對(duì)布局進(jìn)行 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。布線設(shè)計(jì)可以采用雙層走線和單層走線；對(duì)于極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)，也可以考慮多 層布線方案。在PCB設(shè)計(jì)中，布線足完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟?？梢赃@樣說(shuō)，前面各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都是 為它而做的。PCB布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種：自動(dòng)布線和 交互式布線。在PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往希望能夠采用自動(dòng)布線的方式。在通常情況下，對(duì)于純數(shù) 字信號(hào)電路板（尤其信號(hào)電平比較低，電路板密度比較小時(shí)）采用自動(dòng)布線是沒(méi)

31、有問(wèn)題的。但 是，在設(shè)計(jì)模擬信號(hào).混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果也完全采用自動(dòng)布線，可就要出問(wèn)題 了，甚至可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。目前，雖然巳經(jīng)有一些自動(dòng)布線的工具功能非常強(qiáng)大，通常可以達(dá)到100%的布通率，但是整體外觀效果不是很美觀，有時(shí)連線排列雜亂無(wú)章，兩個(gè)引腳之間的連線并不是最短（最 優(yōu)）路徑。對(duì)于電路相對(duì)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，請(qǐng)盡量不要完全采用自動(dòng)布線方式。建議在采用自動(dòng)布 線之前，首先采用交互式方式預(yù)先對(duì)那些要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線。同時(shí)輸入端和輸出端 的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾；兩相鄰層的布線要相互垂直，平行容易產(chǎn)生寄 生耦合，這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加。自動(dòng)布線的布

32、通率，依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目和步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式市線，快速地把短線先連通；然后再進(jìn)行 迷宮式布線，先把要布的線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開(kāi)巳布的線，并重 新布線，以改進(jìn)總體效果。在手工布線時(shí)，為了確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)規(guī)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面與數(shù)字地平面分開(kāi)；如果地平面被信號(hào)線隔斷，那么為減少 對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置，數(shù) 字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt出效應(yīng)。3PCB電路及電路抗干擾措施抗

33、干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，也是一個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。這里結(jié)合在PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)做一些簡(jiǎn)單的介紹。電源線的設(shè)計(jì)。根據(jù)PCB電流的大小，盡量加粗電源線的寬度（在布線設(shè)計(jì)規(guī)則中，可以單獨(dú)為 電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則），減少環(huán)路電阻，尤其要注意使電源線、地線的供電方向與 數(shù)據(jù)、信號(hào)的傳遞方向相反，有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。地線的設(shè)計(jì)。地線既是特殊的電源線，又是信號(hào)線。除了要遵循電源線的設(shè)計(jì)原則外，還應(yīng)做到： 數(shù)字地與模擬地分開(kāi)；若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，則應(yīng)使它們盡量分開(kāi)；低頻電路的 地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點(diǎn)串

34、聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀進(jìn)行大面積地敷銅；盡量加寬電源和地線寬度， 最好是地線要比電源線寬一些，它們的寬度關(guān)系是，地線 電源線 信號(hào)線。數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)，能提高抗噪聲能力。數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件，高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。在電源地線之間加上去耦電容，以提高電源回路的抗干擾能力。4具體實(shí)例以下實(shí)例是基于ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設(shè)計(jì)。4.1核心板原理圖在核心板原理圖中，核心元件為S3C44BOX。該元件是一款高性能的16 / 32位RISC微處理器，66MHz的主頻，內(nèi)部集成了 LCD控制器，適用于手持設(shè)備，采用160-QFP封

35、裝。在該系統(tǒng)中，電源電路需要使用5V和3. 3V的直流穩(wěn)壓電源，其中S3C44BOX使用2. 5V電源， 外圍器件需3. 3V電源，其他部分器件需5V電源；晶振電路用于向CPU以及其他電路提供 工作時(shí)鐘，S3C44BOX使用常用的無(wú)源晶振；U6、U7和U9構(gòu)成此系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。2四層電路板布線規(guī)則本PCB設(shè)計(jì)使用的軟件工具為ProtelDXP。該核心板為四層電路板，頂層和底層為信號(hào)層，中間 哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的PCB圖如圖2和圖3所示。母板的原始PCB尺寸為55mmX70mm，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，若也將PCB尺寸設(shè)計(jì)為此值，則在布 線過(guò)程中會(huì)遇到難以布通的實(shí)際困難，因此先將板尺

36、寸設(shè)計(jì)得稍微大一些，在布線成功之后，選擇 DesignBoardShapefRedefineRoardShape 對(duì) PCB 板進(jìn)行裁剪。在由原理圖生成PCB圖時(shí)，通過(guò)手工的方式，將一些要求比較嚴(yán)格的元器件（U5、U6、U7和U9） 放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，并將其鎖定；同時(shí)要將晶振放置在U5的附近。在擺放其他元器件時(shí)也要注意 元器件之間的距離，如果兩個(gè)元器件距離太近，則會(huì)產(chǎn)生干擾，并呈綠色顯示。在系統(tǒng)中，S3C44BOX的片內(nèi)工作頻率為66MHz。因此，在印刷電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該遵循一 些高頻電路的設(shè)計(jì)基本原則，否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。對(duì)于目前高密度的PCB設(shè)計(jì)，巳經(jīng)感覺(jué)到貫通孔

37、不太適應(yīng)了，浪費(fèi)了許多寶貴的布線通道。為解 決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通孔的作用，而且還省出許多布線通道，使 布線過(guò)程完成得更加方便、流暢，更加完善。在大多數(shù)教程中，也提倡在多層電路板的設(shè)計(jì)中采用 盲孔和埋孔技術(shù)。這樣做雖然可以使布線工作變得容易，但是同時(shí)也增加了 PCB設(shè)計(jì)的成本。因此 是否選取此技術(shù)，要根據(jù)實(shí)際的電路復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)能力來(lái)決定。筆者在設(shè)計(jì)四層板的過(guò)程中并沒(méi) 有采用此技術(shù)，如果覺(jué)得貫通孔數(shù)目太多，則可以在布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。在布線前，預(yù)先在布線規(guī)則中設(shè)置頂層采用水平布線，而底層則采用垂直布線的方式。這樣做可 以使頂層和底層布線相互垂直，從而

38、避免產(chǎn)生寄生耦合；同時(shí)在引腳間的連線拐彎處盡最避免使用 直角或銳角，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l電路中會(huì)影響電氣性能。PCB設(shè)計(jì)采用交互式布線方式。首先對(duì)元器件J1、J2與U5之間的引腳連線手工進(jìn)行預(yù)布線，在 微處理器的輸入/輸出信號(hào)中，有相當(dāng)一部分是相同類型的，如數(shù)據(jù)線、地址線和信號(hào)線。對(duì)于這 些相同類型的信號(hào)線應(yīng)該成組、平行分布，并注意它們之間的長(zhǎng)短差異不要太大，這樣既可以減小 干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以使布線變得簡(jiǎn)單，印刷電路板的外觀更加整齊美觀。然后對(duì)其余 元器件采用自動(dòng)布線（其問(wèn)可以嘗試不同的布線策略），當(dāng)布線成功之后，對(duì)一些不理想的布線可以 進(jìn)行修改、優(yōu)化。布線設(shè)計(jì)完成后，須認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)

39、是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)電需要確認(rèn)所制定的 規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求；然后對(duì)焊盤補(bǔ)淚滴，使焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷 開(kāi)；最后對(duì)印制線路板上進(jìn)行大面積敷銅，這樣有利于散熱和屏蔽，減小干擾。由于印制線路板板 材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體無(wú)法排除，熱量不易散發(fā)， 以致產(chǎn)生銅箔膨脹、脫落現(xiàn)象，因此在大面積敷制時(shí)，應(yīng)將其開(kāi)窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。結(jié)語(yǔ)本文中主要介紹丁有關(guān)電路板的PcB沒(méi)汁過(guò)程以及注意事項(xiàng)，并將親身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大家共同分享，但由于本人能力有限，尚存在許多不足之處，望能夠得到專業(yè)人士的指正和賜教?？傊琍CB板的沒(méi)計(jì)過(guò)程是一個(gè)既復(fù)雜而又簡(jiǎn)單的過(guò)

40、程，還需廣大電子工程設(shè)計(jì)人員自己去 體會(huì)，才能得到其中的真諦。（4）層板多層板的層設(shè)置當(dāng)初困擾了我好幾天，就是沒(méi)搞懂plane和layer的區(qū)別?？磩e人的多層板也沒(méi)看懂，以 為多層板的中間的地平面和電源平面也是應(yīng)該像雙面板那樣敷銅來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是別人的多層板文件里面又沒(méi) 有大塊的敷銅。按照別人那樣設(shè)置了層后，在中間的2層根本沒(méi)法敷銅，pcb布板書籍上也沒(méi)有講到多層 板的層設(shè)置。后來(lái)用plane和layer作為關(guān)鍵詞百度了一下才搜到一篇文章，搞明白了 pcb的正負(fù)片之分。 本來(lái)想把那篇文章轉(zhuǎn)載過(guò)來(lái)，但又沒(méi)找到了。還是自己寫寫，以便和我一樣初次做多層板，有一樣困惑的 人能夠search到。pcb的制作

41、有正負(fù)片之分，正片就是我們平常理解的那樣，畫線的地方有銅皮，沒(méi)畫線的就沒(méi)有。負(fù)片則 是畫線的地方?jīng)]有銅皮，沒(méi)畫線的地方才有銅皮。雙面板的底層和頂層都是正片做的。在多層板里面，對(duì)于地平面和電源平面這樣大塊銅皮的層，一般用負(fù) 片在制作，負(fù)片的數(shù)據(jù)量小，只需要將整個(gè)平面做一定的切割。正片就是layer，負(fù)片就是plane。在protel 的層設(shè)置里面就有addlayer和addplane兩種新建層的命令。在正片可以走線，敷銅，放置過(guò)孔和元件等， 在負(fù)片上只能通過(guò)畫line來(lái)切割平面，切割開(kāi)的每個(gè)部分可以單獨(dú)設(shè)置net，不能在負(fù)片上走線、敷銅。 當(dāng)然也可以用正片加敷銅來(lái)實(shí)現(xiàn)地平面和電源平面，但是無(wú)疑負(fù)片更適合，數(shù)據(jù)量更小，pcb工廠也方便 加工，添加過(guò)孔后也不用rebuild。敷銅的每一個(gè)改變都需要rebuild，使得軟件運(yùn)行速度很慢。亂七八糟的說(shuō)了這么多，總結(jié)起來(lái)就一句話，多層板的電源層和地層用plane，信號(hào)層用layer。選用四層板不僅是電源和地的問(wèn)題，高速數(shù)字電路對(duì)走線的阻抗有要求，二層板不好控制阻抗。33R電阻 一般加在驅(qū)動(dòng)器端，也是起阻抗匹配作用的；布線時(shí)要先布數(shù)據(jù)地址線，和需要保證的高速線；在高頻的時(shí)候，PCB板上的走線都要看成傳輸線。傳輸線有其特征阻抗，學(xué)過(guò)傳輸線理論的都知道， 當(dāng)傳輸線上某處出現(xiàn)阻抗突變（不匹配）時(shí)，