- 探討PCB布線技術(shù)中的抗干擾設(shè)計(jì)
- 減少布線過(guò)程中的過(guò)孔設(shè)置
- 降低連線的特性阻抗
- 避免多頻率交調(diào)影響以減少電磁干擾
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高,電子系統(tǒng)的工作頻率也越來(lái)越高；模擬電路、數(shù)字電路、大規(guī)模的集成電路和大功率電路的混合使用以及電子設(shè)備的工作帶寬越來(lái)越寬,靈敏度越來(lái)越高；并隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，連接各設(shè)備之間的電纜和空間聯(lián)網(wǎng)也越來(lái)越復(fù)雜。實(shí)踐證明,當(dāng)我們?cè)谑褂肞ROTEL軟件制板時(shí),盡管制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則及約束條件。在進(jìn)行自動(dòng)布局和自動(dòng)布線時(shí),仍然出現(xiàn)印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),并對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不良影響。因此，要使電子系統(tǒng)獲得最佳性能, 在使用PROTEL軟件制板時(shí),必須采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合。并應(yīng)遵循設(shè)計(jì)的一般及特殊規(guī)則。
一、元器件布線
1 ． 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。 易受干擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出元件應(yīng)遠(yuǎn)離。輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行,最好加上線間地線,以免發(fā)生反饋耦合。如：同相放大器的輸入輸出端一靠近(圖1)，則在它們之間就會(huì)產(chǎn)生寄生電容。這樣，由于該電容而形成了輸出返回到輸入的正反饋環(huán)路，最終引起振蕩。這種振蕩與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，即使在沒(méi)有輸入時(shí)也會(huì)發(fā)生。
振蕩頻率由同相放大器的電路結(jié)構(gòu)和寄生電容的大小等因素決定。實(shí)際上，大部分為1MHz以上。還有，隨著寄生電容的大小變化，不僅僅產(chǎn)生電路的振蕩，甚至發(fā)生工作不穩(wěn)定和特性變壞的情況。而在反相放大器中，如圖2所示，由于米勒效應(yīng)引起高頻特性變壞。設(shè)反相放大器的增益為A，輸入輸出間的寄生電容為C。由于米勒效應(yīng)，從輸入端可以看成輸入與GND之間加入了(A+1)C的電容。如果信號(hào)源電阻Rg非常低，則是可以的。然而，如果Rg很高，則該Rg與米勒電容(A+1)C就會(huì)形成LPF(低通濾波器)，使得高頻特性下降.因此,，無(wú)論是正相放大器還是反相放大器，其輸入輸出端都不允許靠得太近，特別在增益高或在寬帶放大器中更要特別注意。不僅對(duì)于一級(jí)放大器，對(duì)于多級(jí)放大器也同樣要注意這個(gè)問(wèn)題。
2 ． 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離,以免放電引起意外短路。 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。如同放大器的輸入輸出那樣，不僅對(duì)于相同系統(tǒng)的信號(hào)線，對(duì)于搭載相互獨(dú)立的信號(hào)線也一樣，在其電平差大時(shí)(30～40dB以上)，都不允許靠近。即使僅流過(guò)直流電流，在其電壓高或電流大時(shí)，也不許靠近微小信號(hào)線。 如圖3所示，將兩根線靠近看一下。設(shè)A線上搭載電源紋波(50Hz)1Vp-p，B線上搭載lmVp-p的微弱的信號(hào),兩者電平差有1000倍(60dB)之多。在電源存在紋波的情況下，由于頻率低，靜電耦合是沒(méi)有問(wèn)題的。但由于電磁耦合，A的電源波紋泄漏到B。情況嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生振蕩等異?，F(xiàn)象。
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3 ． 濾波電路中的電解電容器，在電路圖中，即使連接是相同的，但布線次序有錯(cuò)誤，也不能得到所希望的電源波紋。圖4是為便于理解而畫(huà)出的圖。
首先來(lái)分析圖4(a)，負(fù)載電路的布線是由整流二極管引出來(lái)的。濾波電容的布線與負(fù)載電路的布線不同，也是從整流二極管引出來(lái)的。當(dāng)進(jìn)行這樣的布線時(shí)，負(fù)載電流不通過(guò)濾波電容，而直接流到負(fù)載電路，所以不能獲得所希望的電源波紋。負(fù)載電流越大、濾波電容的容量越大、由整流二極管到濾波電容的布線越細(xì)長(zhǎng)時(shí)，這種傾向變得越嚴(yán)重。
圖4(b)該負(fù)載電路的布線是由整流二極管引出來(lái)、并通過(guò)濾波電容來(lái)進(jìn)行的。這樣，負(fù)載電流一定通過(guò)濾波電容流動(dòng)，也就消除了圖4(a)那樣的麻煩。如果考慮到電流的流動(dòng)，上述方法的效果是很明顯的。這種方法，不僅對(duì)濾波電容，而且對(duì)電源旁路電容也一樣有效。
4． 考慮電流環(huán)路。簡(jiǎn)單而言，電流環(huán)路其對(duì)象范圍很廣，而且概念也很模糊。但是，其考慮方法卻是簡(jiǎn)單的。在考慮電流的流動(dòng)時(shí)，一定有去路和回路。由其去路和回路所形成的電流環(huán)路的面積要盡可能的小。對(duì)于電源線和信號(hào)線來(lái)講都是如此，圖5(a)是不好的例子，由電流的去路與回路所形成的環(huán)路非常大。電源線的環(huán)路大，因其波紋等原因有可能對(duì)其他電路產(chǎn)生不良的影響。
現(xiàn)將該環(huán)路變小，如圖5(b)所示。由于這樣做，使環(huán)路變小，故而對(duì)其他電路的影響也就變小。還有，稱(chēng)兩根絞在一起的導(dǎo)線為絞線。即使不弄成絞線，而將兩根導(dǎo)線平行地放置也會(huì)對(duì)縮小電源線環(huán)路面積起到有一定的效果。
5． 電容的一般配置原則
1)電源輸入端跨接10μF～100μF 的電解電容器。如有可能,接100μF 以上的更好。
2)原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0. 01pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠,可每（4個(gè)～8個(gè))芯片布置一個(gè)1pF～10pF 的鉭電容。
3)對(duì)于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件,如RAM、ROM 存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退耦電容。
4)電容引線不能太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容不能有引線。
5)在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。 一般R取1kΩ～2kΩ，C取2.2μF～47μF。
6)CMOS 的輸入阻抗很高,且易受感應(yīng),因此在使用時(shí)，對(duì)不用端要接地或接正電源。
6． 振蕩器幾乎所有的電子系統(tǒng)都有一個(gè)耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路.振蕩是一個(gè)輻射的發(fā)射源。其周期性波形的輸出通過(guò)印制板連線輸?shù)截?fù)載，并取決于印制板的布圖、元件的布局、連線、去耦、阻抗控制和其他被消除或減少的有關(guān)項(xiàng)目。
在PCB上,要求外接電容、晶體或陶瓷諧振器的引線越短越好. RC振蕩器對(duì)干擾信號(hào)有潛在的敏感性,它能產(chǎn)生很短的時(shí)鐘周期,因而最好選晶體或陶瓷諧振器. 另外,石英晶體的外殼要接地。
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二、一般導(dǎo)線及焊盤(pán)布線
1． 印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5mm、寬度為1mm～15mm時(shí)，通過(guò)2A的電流,溫升不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02mm～0.3mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然,只要允許,還是盡可能用寬線,尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。 對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1mm～0.2mm。
2． 印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧,而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。 必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。
3 ． 焊盤(pán)中心也要比器件引線直徑稍大一些。
焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D 一般不小于(d +1.2)mm，其中d 為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤(pán)最小直徑可取(d +1.0) mm。
三、電源線及地線設(shè)計(jì)
1 ． 根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，同時(shí),使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
2 ． 在小信號(hào)電路與大電流電路做在一起的電路中，必須將GND明顯地區(qū)分開(kāi)來(lái)。布線方法為將小信號(hào)GND與大電流的GND進(jìn)行分離，通常使用兩根引線的GND。使大電流不在布線電阻上流動(dòng)，從而不產(chǎn)生干擾，如像功率放大級(jí)和負(fù)載那樣，將大電流流動(dòng)的部分由電源直接進(jìn)行布線。還有，將小信號(hào)部分進(jìn)行匯總，也直接由電源進(jìn)行布線。如果這樣做，小信號(hào)線與大電流線完全分離，再將匯總的小信號(hào) GND與功率放大級(jí)的GND相連接。
當(dāng)電路簡(jiǎn)單時(shí)，可將電源所供給的電路匯總成一個(gè)。但是當(dāng)電路變得復(fù)雜時(shí)，就要分成幾個(gè)基板(模塊)，電源的數(shù)目仍不變，還為1個(gè)。就其布線方法來(lái)看，若各基板電源及地線擁有公共布線電阻，任何一個(gè)基板上的電流發(fā)生變動(dòng)，都影響到其他的基板。與此相反，若將其各個(gè)基板電源GND的布線分別由電源引出。這樣，各自都有布線電阻，即使因電流變化而產(chǎn)生電壓降，它僅停留在該基板上，而不會(huì)對(duì)其他基板產(chǎn)生影響。
3 ． 正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。 在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1 MHz～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。
4 ． 數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。 電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。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)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗。高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線性電路的接地面積。
5 ． 接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化,致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm。
6 ． 接地線構(gòu)成閉環(huán)路。 設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。 其原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降；若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
四、結(jié)束語(yǔ)
電磁干擾已成為線路設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題之一，PCB布線設(shè)計(jì)中的抗干擾是一項(xiàng)實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)工作。元件間的合理布局、增大布線間距、短線連接、減少布線過(guò)程中的過(guò)孔設(shè)置、降低連線的特性阻抗、避免多頻率交調(diào)影響等是減少電磁干擾的有效方法。良好的PCB設(shè)計(jì)可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)可靠性。
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