技術(shù)交流：怎樣才能做出一塊好的PCB面板？

    大家都知道做PCB板就是把設(shè)計(jì)好的原理圖變成一塊實(shí)實(shí)在在的PCB電路板，請(qǐng)別小看這一過(guò)程，有很多原理上行得通的東西在工程中卻難以實(shí)現(xiàn)，或是別人能實(shí)現(xiàn)的東西另一些人卻實(shí)現(xiàn)不了，因此說(shuō)做一塊PCB板不難，但要做好一塊PCB板卻不是一件容易的事情。微電子領(lǐng)域的兩大難點(diǎn)在于高頻信號(hào)和微弱信號(hào)的處理，在這方面PCB制作水平就顯得尤其重要，同樣的原理設(shè)計(jì)，同樣的元器件，不同的人制作出來(lái)的PCB就具有不同的結(jié)果，那么如何才能做出一塊好的PCB板呢？

    一、要明確設(shè)計(jì)目標(biāo)

    接受到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，首先要明確其設(shè)計(jì)目標(biāo)，是普通的PCB板高頻PCB板小信號(hào)處理PCB板還是既有高頻率又有小信號(hào)處理的PCB板如果是普通的PCB板，只要做到布局布線合理整齊，機(jī)械尺寸準(zhǔn)確無(wú)誤即可，如有中負(fù)載線和長(zhǎng)線，就要采用一定的手段進(jìn)行處理，減輕負(fù)載，長(zhǎng)線要加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，重點(diǎn)是防止長(zhǎng)線反射當(dāng)板上有超過(guò)40MHz的信號(hào)線時(shí)就要對(duì)這些信號(hào)線進(jìn)行特殊的考慮比如線間串?dāng)_等問(wèn)題如果頻率更高一些對(duì)布線的長(zhǎng)度就有更嚴(yán)格的限制。

    根據(jù)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)理論高速電路與其連線間的相互作用是決定性因素在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略，隨著門傳輸速度的提高在信號(hào)線上的反對(duì)將會(huì)相應(yīng)增加相鄰信號(hào)線間的串?dāng)_將成正比地增加通常高速電路的功耗和熱耗散也都很大。

    在做高速PCB時(shí)應(yīng)引起足夠的重視當(dāng)板上有毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的微弱信號(hào)時(shí)對(duì)這些信號(hào)線就需要特別的關(guān)照小信號(hào)由于太微弱非常容易受到其它強(qiáng)信號(hào)的干擾屏蔽措施常常是必要的否則將大大降低信噪比以致于有用信號(hào)被噪聲淹沒(méi)不能有效地提取出來(lái)對(duì)板子的調(diào)測(cè)也要在設(shè)計(jì)階段加以考慮測(cè)試點(diǎn)的物理位置測(cè)試點(diǎn)的隔離等因素不可忽略因?yàn)橛行┬⌒盘?hào)和高頻信號(hào)是不能直接把探頭加上去進(jìn)行測(cè)量的，此外還要考慮其他一些相關(guān)因素如板子層數(shù)采用元器件的封裝外形板子的機(jī)械強(qiáng)度等在做PCB板子前要做出對(duì)該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)心中有數(shù)。

    二、了解所用元器件的功能對(duì)布局布線的要求

    我們知道有些特殊元器件在布局布線時(shí)有特殊的要求比如LOTI和APH所用的模擬信號(hào)放大器模擬信號(hào)放大器對(duì)電源要求要平穩(wěn)紋波小模擬小信號(hào)部分要盡量遠(yuǎn)離功率器件在OTI板上小信號(hào)放大部分還專門加有屏蔽罩把雜散的電磁干擾給屏蔽掉NTOI板上用的GLINK芯片采用的是ECL工藝功耗大發(fā)熱厲害對(duì)散熱問(wèn)題必須在布局時(shí)就必須進(jìn)行特殊考慮若采用自然散熱。

    要把GLINK芯片放在空氣流通比較順暢的地方而且散出來(lái)的熱量還不能對(duì)其它芯片構(gòu)成大的影響如果板子上裝有喇叭或其他大功率的器件有可能對(duì)電源造成嚴(yán)重的污染這一點(diǎn)也應(yīng)引起足夠的重視。。

    三、元器件布局的考慮元器件的布局

    首先要考慮的一個(gè)因素就是電性能把連線關(guān)系密切的元器件盡量放在一起尤其對(duì)一些高速線布局時(shí)就要使它盡可能地短功率信號(hào)和小信號(hào)器件要分開在滿足電路性能的前提下還要考慮元器件擺放整齊美觀便于測(cè)試板子的機(jī)械尺寸插座的位置等也需認(rèn)真考慮高速系統(tǒng)中的接地和互連線上的傳輸延遲時(shí)間也是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的因素信號(hào)線上的傳輸時(shí)間對(duì)總的系統(tǒng)速度影響很大，特別是對(duì)高速的ECL電路雖然集成電路塊本身速度很高，但由于在底板上用普通的互連線每30cm線長(zhǎng)約有2ns的延遲量帶來(lái)延遲時(shí)間的增加可使系統(tǒng)速度大為降低。象移位寄存器同步計(jì)數(shù)器。

    這種同步工作部件最好放在同一塊插件板上因?yàn)榈讲煌寮迳系臅r(shí)鐘信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間不相等可能使移位寄存器產(chǎn)主錯(cuò)誤若不能放在一塊板上則在同步是關(guān)鍵的地方從公共時(shí)鐘源連到各插件板的時(shí)鐘線的長(zhǎng)度必須相等四對(duì)布線的考慮隨著OTNI和星形光纖網(wǎng)的設(shè)計(jì)完成以后會(huì)有更多的100MHz以上的具有高速信號(hào)線的板子需要設(shè)計(jì)這里將介紹高速線的一些基本概念:

    1、傳輸線印制電路板上的任何一條長(zhǎng)的信號(hào)通路都可以視為一種傳輸線如果該線的傳輸延遲時(shí)間比信號(hào)上升時(shí)間短得多那么信號(hào)上升期間所產(chǎn)主的反射都將被淹沒(méi)不再呈現(xiàn)過(guò)沖反沖和振鈴對(duì)現(xiàn)時(shí)大多數(shù)的MOS電路來(lái)說(shuō)由于上升時(shí)間對(duì)線傳輸延遲時(shí)間之比大得多所以走線可長(zhǎng)以米計(jì)而無(wú)信號(hào)失真而對(duì)于速度較快的邏輯電路特別是超高速ECL集成電路來(lái)說(shuō)由于邊沿速度的增快若無(wú)其它措施走線的長(zhǎng)度必須大大縮短以保持信號(hào)的完整性有兩種方法能使高速電路。

    2、在相對(duì)長(zhǎng)的線上工作而無(wú)嚴(yán)重的波形失真TTL對(duì)快速下降邊沿采用肖特基二極管箝位方法使過(guò)沖量被箝制在比地電位低一個(gè)二極管壓降的電平上這就減少了后面的反沖幅度，較慢的上升邊緣允許有過(guò)沖但它被在電平H狀態(tài)下電路的相對(duì)高的輸出阻抗5080所衰減此外由于電平H狀態(tài)的抗擾度較大使反沖問(wèn)題并不十分突出對(duì)HCT系列的器件若采用肖特基二極管箝位和串聯(lián)電阻端接方法相結(jié)合其改善的效果將會(huì)更加明顯。

    當(dāng)沿信號(hào)線有扇出時(shí)在較高的位速率和較快的邊沿速率下上述介紹的TTL整形方法顯得有些不足因?yàn)榫€中存在著反射波它們?cè)诟呶凰俾氏聦②呌诤铣蓮亩鹦盘?hào)嚴(yán)重失真和抗干擾能力降低因此為了解決反射問(wèn)題在ECL系統(tǒng)中通常使用另外一種方法線阻抗匹配法用這種方法能使反射受到控制信號(hào)的完整性得到保證嚴(yán)格他說(shuō)對(duì)于有較慢邊沿速度的常規(guī)TTL和CMOS器件來(lái)說(shuō)傳輸線并不是十分需要的。對(duì)有較快邊沿速度的高速ECL器件傳輸線也不總是需要的但是當(dāng)使用傳輸線時(shí)它們具有能預(yù)測(cè)連線時(shí)延和通過(guò)阻抗匹配來(lái)控制反射和振蕩的優(yōu)點(diǎn)：

    1、決定是否采用傳輸線的基本因素有以下五個(gè)它們是1系統(tǒng)信號(hào)的沿速率

    2、連線距離3容性負(fù)載（扇出的多少）

    3、電阻性負(fù)載線的端接方式5允許的反沖和過(guò)沖百分比交流抗擾度的降低程度2傳輸線的幾種類型

    （1）同軸電纜和雙絞線它們經(jīng)常用在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接同軸電纜的特性阻抗通常有50和75雙絞線通常為1102印制板上的微帶線微帶線是一根帶狀導(dǎo)（信號(hào)線）與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開如果線的厚度寬度以及與地平面之間的距離是可控制的則它的特性阻抗也是可以控制的微帶線的特性阻抗Z0為式中Er為印制板介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。

    （2）設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸線時(shí)要避免急拐彎以防傳輸線特性阻抗的突變而產(chǎn)生反射，要盡量設(shè)計(jì)成具有一定尺寸的均勻的圓弧線印制線的寬度可根據(jù)上述微帶線和帶狀線的特性阻抗計(jì)算公式計(jì)算印制電路板上的微帶線的特性阻抗一般在50120之間要想得到大的特性阻抗線寬，必須做得很窄但很細(xì)的線條又不容易制作綜合各種因素考慮一般選擇68左右的阻抗值比較合適，因?yàn)檫x擇68的特性阻抗可以在延遲時(shí)間和功耗之間達(dá)到最佳平衡一條50的傳輸線將消耗更多的功率較大的阻抗固然可以使消耗功率減少，但會(huì)使傳輸延遲時(shí)間。

    4、為介電質(zhì)層的厚度W為線的寬度t為線的厚度單位長(zhǎng)度微帶線的傳輸延遲時(shí)間僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無(wú)關(guān)。

    設(shè)計(jì)者的愛好和系統(tǒng)的要求而定，并聯(lián)端接線的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)速度快和信號(hào)在線上傳輸完整無(wú)失真長(zhǎng)線上的負(fù)載，既不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)線的驅(qū)動(dòng)門的傳輸延遲時(shí)間，又不會(huì)影響它的信號(hào)邊沿速度，但將使信號(hào)沿該長(zhǎng)線的傳輸延遲時(shí)間增大在驅(qū)動(dòng)大扇出時(shí)負(fù)載可經(jīng)分支短線沿線分布而不象串聯(lián)端接中那樣必須把負(fù)載集總在線的終端串聯(lián)端接方法使電路有驅(qū)動(dòng)幾條平行負(fù)載線的能力串聯(lián)端接線。由于容性負(fù)載所引起的延遲時(shí)間增量約比相應(yīng)并聯(lián)端接線的大一倍而短線則因容性負(fù)載使邊沿速度放慢和驅(qū)動(dòng)門延遲時(shí)間增大但是串聯(lián)端接線的串?dāng)_比并聯(lián)端接線的要小其主要原因是沿串聯(lián)端接線傳送的信號(hào)幅度。

    僅僅是二分之一的邏輯擺幅因而開關(guān)電流也只有并聯(lián)端接的開關(guān)電流的一半信號(hào)能量小串?dāng)_也就小，二PCB板的布線技術(shù)做PCB時(shí)是選用雙面板還是多層板要看最高工作頻率和電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及對(duì)組裝密度的要求來(lái)決定在時(shí)鐘頻率超過(guò)200MHZ時(shí)，最好選用多層板如果工作頻率超過(guò)350MHz最好選用以聚四氟乙烯作為介質(zhì)層的印制電路板。因?yàn)樗母哳l衰耗要小些寄生電容要小些傳輸速度要快些還由于Z0較大而省功耗對(duì)印制電路板的走線有如下原則要求1所有平行信號(hào)線之間要盡量留有較大的間隔以減少串?dāng)_如果有兩條相距較近的信號(hào)線最好在兩線之間走一條接地線這樣可以起到屏蔽作用。

    由于負(fù)線電容會(huì)造成傳輸延遲時(shí)間的增大和特性阻抗的降低，但特性阻抗很低的線段單位長(zhǎng)度的本征電容比較大所以傳輸延遲時(shí)間及特性阻抗受負(fù)載電容的影響較小。具有適當(dāng)端接的傳輸線的一個(gè)重要特征是分枝短線對(duì)線延遲時(shí)間應(yīng)沒(méi)有什么影響。當(dāng)Z0為50時(shí)分枝短線的長(zhǎng)度必須限制在25cm以內(nèi)以免出現(xiàn)很大的振鈴。

    5、對(duì)于雙面板或六層板中走四層線，電路板兩面的線要互相垂直以防止互相感應(yīng)產(chǎn)主串?dāng)_。

    6、印制板上若裝有大電流器件如繼電器指示燈喇叭等它們的地線最好要分開單獨(dú)走以減少地線上的噪聲，這些大電流器件的地線應(yīng)連到插件板和背板上的一個(gè)獨(dú)立的地總線上去，而且這些獨(dú)立的地線還應(yīng)該與整個(gè)系統(tǒng)的接地點(diǎn)相連接。