高頻電路在PCB設計中的特殊對策

引言

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)字、高頻電路正向高速、低耗、小體積、高抗干擾性方向發(fā)展，這樣就給PCB （印制電路板、印刷線路板）設計提出了更高的要求。而Protel 99SE 設計系統(tǒng)完全利用了Windows XP和Windows2000 平臺的優(yōu)勢，其核心PCB 模塊的超強設計環(huán)境使得設計工作能更有效地實現(xiàn)其設計要求。對于從事高頻電路設計人員來說，已不再是簡單的要求PCB 的布通率，而是要求設計人員在有扎實的理論知識及豐富的PCB 設計經(jīng)驗基礎上，從電路的工作特點和實際工作環(huán)境等方面去考慮其設計，只有這樣我們才能制作出理想的PCB 來。

本文針對高頻電路在PCB設計過程中的布局、布線兩個方面，以Protel 99SE軟件為例，來探討一下高頻電路在PCB 設計過程中的對策及設計技巧。

　　一、高頻PCB 布局

布局操作在整個PCB設計中是很重要的，布局是布線操作的基礎，要達到完美的元器件布局，設計人員就需要從電路工作特點和走線的角度來思考元件的布局。

Protel 99SE 有自動布局的功能，具有集群式和統(tǒng)計式布局二種功能，但它并不能完全滿足高頻電路的工作要求，設計人員還需從PCB 的可制造性、機械結構、散熱、EMI（電磁干擾）、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮布局，只有這樣才能有效地提高PCB的壽命、穩(wěn)定性、EMC（電磁兼容），才能使得布局更加完美。

對于高頻電路的布局，設計人員應首先考慮對那些與結構緊密配合并且位置固定的元器件（例如電源插座、指示燈、連接件和開關等）進行布局，之后對線路上的特殊元件進行布局（例如發(fā)熱元件、變壓器、芯片等），最后對一些小器件進行布局。同時，要兼顧布線方面的要求，高頻元器件的放置要盡量緊湊，信號線的布線才能盡可能短，從而盡可能降低信號線的交叉干擾。

1 、機械結構方面

電源插座、指示燈、連接件和開關等都屬于此類元器件，都是與機械尺寸有關的定位插件。通常，電源與PCB 之間的接口放到 PCB的邊緣處 ,與 PCB 邊緣要的距離一般不小于2mm;指示發(fā)光二極管應根據(jù)需要準確地放置；開關和一些微調(diào)元器件，如可調(diào)電感、可調(diào)電阻等應放置在靠近 PCB 邊緣的位置，以便于調(diào)整和連接；需要經(jīng)常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置，以易于更換。質量超過15g 的元器件應當用支架固定，又大又重的元件不宜直接安放到PCB 上。

2 、散熱方面

大功率管、變壓器、整流管等發(fā)熱器件，在高頻狀態(tài)下工作時產(chǎn)生的熱量較多，在布局時應充分考慮通風和散熱，將這類元器件放置在 PCB 邊緣或通風處，豎放的板子，發(fā)熱元件應放到板子上部，雙面板的底層不得放置發(fā)熱元件。大功率整流管和調(diào)整管等應裝有散熱器，并要遠離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應遠離發(fā)熱器件，否則電解液會被烤干，造成其電阻增大，性能變差，影響電路的穩(wěn)定性。

3、特殊元件的布局

由于電源設備內(nèi)部會產(chǎn)生50Hz泄漏磁場，當它與低頻放大器的某些部分交連時，會對低頻放大器產(chǎn)生干擾。因此，必須將它們隔離開或者進行屏蔽處理。

放大器各級最好能按原理圖排成直線形式，如此排法的優(yōu)點是各級的接地電流就在本級閉合流動，不影響其他電路的工作。輸入級與輸出級應盡可能地遠離，減小它們之間的寄生耦合干擾?？紤]各個單元功能電路之間的信號傳遞關系，還應將低頻電路和高頻電路分開，模擬電路和數(shù)字電路分開。集成電路應放置在 PCB 的中央，這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。

電感器、變壓器等器件具有磁耦合，彼此之間應采用正交放置，以減小磁耦合。另外，它們都有較強的磁場，在其周圍應有適當大的空間或進行磁屏蔽，以減小對其他電路的影響。

4 、電磁干擾

我們常用的消除電磁干擾的方法有減小環(huán)路、濾波、屏蔽、盡量降低高頻器件的速度、增加PCB 的介電常數(shù)等方法。

如集成電路的去耦電容要盡量就近放置，一般工作頻率在10MHz 以下的用0.1uF 的電容，10MHz 以上的用0.01uF 的電容。

某些元件或導線間有較高的電位差，應加大距離，以免放電。帶高壓元件應盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。易互相干擾的元器件不能靠得太近，輸入、輸出元器件應盡可能遠離，避免反饋干擾。高頻元器件為減小分布參數(shù)，一般就近安放（不規(guī)則排列）一般電路（低頻電路）應按規(guī)則排列，便于裝焊。

二、高頻PCB 布線

高頻電路往往集成度較高、布線密度大，采用多層板既是布線所必須的也是降低干擾的有效手段，Protel 99SE 的PCB系統(tǒng)能提供32 個信號層、16 個機械層以及防焊層、錫膏層等70 多個工作層供用戶選擇。合理選擇層數(shù)能大幅度降低PCB 尺寸，能充分利用中間層來設置屏蔽能更好地實現(xiàn)就近接地，能有效地降低寄生電感，能有效縮短信號的傳輸長度能大幅度地降低信號間的交叉干擾等等。 所有這些都對高頻電路工作的可靠性有利，有資料顯示，同種材料時，四層板要比雙面板的噪聲低 20dB,但是板層數(shù)越高，制造工藝越復雜，成本越高。

1 、布線一般原則

高頻電路器件管腳間的導線越短越好，彎折越少越好，導線最好采用全直線，應盡量避免急劇的彎曲和尖角出現(xiàn)，需要轉折，應用圓弧或折線過渡。這種要求在低頻電路中僅僅用于提高鋼箔的固著強度，而在高頻電路中滿足這一要求卻可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻電路布線中最好在相鄰層分別取水平和豎直布線交替進行，同一層內(nèi)的平行走線無法避免，但可以在PCB 反面大面積敷設地線來降低干擾，針對常用的雙面板，多層板可利用中間的電源層來實現(xiàn)這一功能。

2 、電源線與地線布線

多級電路為防止局部電流產(chǎn)生地阻干擾，各級電路應分別一點接地（或盡量集中接地），高頻電路在3 0 M H z 以上時，則采用大面積接地，這時各級的內(nèi)部元件也應集中一小塊區(qū)域接地。易受干擾器件和線中可用地線包圍，各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路，電源線和地線應靠近，盡量減小圍出的面積，以降低電磁干擾。一般在布線時，導線寬度在12-80mil 之間，電源線一般取20mil-40mil,地線一般取40mil 以上，在可能的情況下，導線盡量寬些。

模擬地線、數(shù)字地線等接往公共地線時要用高頻扼流環(huán)節(jié)，在實際裝配高頻扼流環(huán)節(jié)時用的往往是中心孔穿有導線的高頻鐵氧體磁珠，在電路原理圖上對它一般不予表達，由此形成的網(wǎng)絡表就不包含這類元件，布線時就會因此而忽略它的存在，針對此現(xiàn)實，可在原理圖中把它當作電感，在PCB 元件庫中單獨為它定義一個元件封裝，布線前把它手工移動到靠近公共地線匯合點的合適位置上。

3 、集成芯片的布線

每個集成電路塊的附近應設置一個高頻退耦電容，由于 Protel 99SE 軟件在自動放置元件時并不考慮退耦電容與被退耦的集成電路間的位置關系，任由軟件放置，使兩者相距太遠，退耦效果不好，這時必須用手工移動元件的辦法事先干預兩者位置，使之靠近。

　　4 、敷銅

敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力，同時對于 PCB 散熱和 PCB 的強度有很大好處，敷銅接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面積條狀銅箔，因為在 PCB的使用中時間太長時會產(chǎn)生較大熱量，此時條狀銅箔容易發(fā)生膨脹和脫落現(xiàn)象，因此，在敷銅時最好采用柵格狀銅箔，并將此柵格與電路的接地網(wǎng)絡連通，這樣柵格將會有較好的屏蔽效果，柵格網(wǎng)的尺寸由所要重點屏蔽的干擾頻率而定。

三、結束語

高頻電路PCB的設計過程一個復雜的過程，除了以上探討的設計對策，還包括信號串擾在內(nèi)的信號完整性、如何抑制噪聲等問題，因此需要設計者在設計的時候要有全面的規(guī)劃與考慮，在設計周期的各個階段采用不同的方法技術來確保設計的精準，從而設計出合理的，性能優(yōu)良的高頻PCB 來。