高速PCB设计指南 高速PCB设计指南之六 第一篇混合信号电路板的设计准则 模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压。数字电路的工作依赖在接收端根据预先定 义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测,它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”。在数 字电路的高电平和低电平之间,存在“灰色”区域,在此区域数字电路有时表现出模拟效应, 例如当从低电平向高电平(状态)跳变时,如果数字信号跳变的速度足够快,则将产生过冲和 回铃反射现象。 对于现代板极设计来说,混合信号PCB的概念比较模糊,这是因为即使在纯粹的“数字” 器件中,仍然存在模拟电路和模拟效应。因此,在设计初期,为了可靠实现严格的时序分配, 必须对模拟效应进行仿真。实际上,除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可靠性之 外,大量生产的低成本/高性能消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真 现代混合信号PCB设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多,比如GTL、 LVTTL、 LVCMOS及LwDS逻辑,每种逻辑电路的逻辑门限和电压摆幅都不同,但是,这 些不同逻辑门限和电压摆幅的电路必须共同设计在一块PCB上。在此,通过透彻分析高密 度、高性能、混合信号PCB的布局和布线设计,你可以掌握成功策略和技术 混合信号电路布线基础 当数字和模拟电路在同一块板卡上共享相同的元件时,电路的布局及布线必须讲究方 法。图1所示的矩阵对混合信号PCB的设计规划有帮助。只有揭示数字和模拟电路的特性, 才能在实际布局和布线中达到要求的PCB设计目标 图1:模拟和数字电路:混合信号设计的两个方面 在混合信号PCB设计中,对电源走线有特别的要求并且要求模拟噪声和数字电路噪声 相互隔离以避免噪声耦合,这样一来布局和布线的复杂性就增加了。对电源传输线的特殊需 求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,使混合信号PCB的布局和布线的复杂性 进一步增加 如果将AD转换器中模拟放大器的电源和AD转换器的数字电源接在一起,则很有可 能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。或许,由于输入/输出连接器位置的缘故,布 局方案必须把数字和模拟电路的布线混合在一起 在布局和布线之前,工程师要弄清楚布局和布线方案的基本弱点。即使存在虚假判断, 大部分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。 、现代混合信号PCB的布局和布线 下面将通过OC48接口卡的设计来阐述混合信号PCB布局和布线的技术。OC48代表 光载波标准48,基本上面向25Gb串行光通讯,它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的 一种。OC48接口卡包含若干典型混合信号PCB的布局和布线问题,其布局和布线过程将指 明解决混合信号PCB布局方案的顺序和步骤。 图2:OC48接口卡的逻辑 如图2所示,OC48卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信 号输入或输出数字信号处理器,DSP将这些模拟信号转换为数字逻辑电平,从而可与微处
高速 PCB 设计指南 - 1 - 高速 PCB 设计指南之六 第一篇 混合信号电路板的设计准则 模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压。数字电路的工作依赖在接收端根据预先定 义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测，它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”。在数 字电路的高电平和低电平之间，存在“灰色”区域，在此区域数字电路有时表现出模拟效应， 例如当从低电平向高电平(状态)跳变时，如果数字信号跳变的速度足够快，则将产生过冲和 回铃反射现象。 对于现代板极设计来说，混合信号 PCB 的概念比较模糊，这是因为即使在纯粹的“数字” 器件中，仍然存在模拟电路和模拟效应。因此，在设计初期，为了可靠实现严格的时序分配， 必须对模拟效应进行仿真。实际上，除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可靠性之 外，大量生产的低成本/高性能消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真。 现代混合信号 PCB 设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多，比如 GTL、 LVTTL、LVCMOS 及 LVDS 逻辑，每种逻辑电路的逻辑门限和电压摆幅都不同，但是，这 些不同逻辑门限和电压摆幅的电路必须共同设计在一块 PCB 上。在此，通过透彻分析高密 度、高性能、混合信号 PCB 的布局和布线设计，你可以掌握成功策略和技术。 一、混合信号电路布线基础 当数字和模拟电路在同一块板卡上共享相同的元件时，电路的布局及布线必须讲究方 法。图 1 所示的矩阵对混合信号 PCB 的设计规划有帮助。只有揭示数字和模拟电路的特性， 才能在实际布局和布线中达到要求的 PCB 设计目标。 图 1：模拟和数字电路：混合信号设计的两个方面 在混合信号 PCB 设计中，对电源走线有特别的要求并且要求模拟噪声和数字电路噪声 相互隔离以避免噪声耦合，这样一来布局和布线的复杂性就增加了。对电源传输线的特殊需 求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求，使混合信号 PCB 的布局和布线的复杂性 进一步增加。 如果将 A/D 转换器中模拟放大器的电源和 A/D 转换器的数字电源接在一起，则很有可 能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。或许，由于输入/输出连接器位置的缘故，布 局方案必须把数字和模拟电路的布线混合在一起。 在布局和布线之前，工程师要弄清楚布局和布线方案的基本弱点。即使存在虚假判断， 大部分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。 二、现代混合信号 PCB 的布局和布线 下面将通过 OC48 接口卡的设计来阐述混合信号 PCB 布局和布线的技术。OC48 代表 光载波标准 48，基本上面向 2.5Gb 串行光通讯，它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的 一种。OC48 接口卡包含若干典型混合信号 PCB 的布局和布线问题，其布局和布线过程将指 明解决混合信号 PCB 布局方案的顺序和步骤。 图 2：OC48 接口卡的逻辑 如图 2 所示，OC48 卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信 号输入或输出数字信号处理器，DSP 将这些模拟信号转换为数字逻辑电平，从而可与微处
高速PCB设计指南 理器、可编程门阵列以及在OC48卡上的DSP和微处理器的系统接口电路相连接。独立的 锁相环、电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。 其中,微处理器是一个多电源器件,主电源为2V,33V的IO信号电源由板上其他数 字器件共享。独立数字时钟源为OC48IO、微处理器和系统IO提供时钟 经过检查不同功能电路块的布局和布线要求,初步建议采用12层板,如图3所示。微 带和带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之 间设置接地层,将把敏感的模拟参考源、CPU核和PLL滤波器电源的布线与在第一层的微 处理器和DSP器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的,与OC48卡上为共享3.3V电源 层所做的一样。这样将降低电源和地之间的阻抗,从而减少电源信号上的噪声 要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线,否则,电源信号的噪声将 耦合到敏感的模拟信号之中 要根据数字信号布线的需要,仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口( split)),特别是在 混合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传 输线回路。这些都会造成信号质量、时序和EM问题。 有时增加若干接地层,或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层,就可 以取消开口并避免出现上述问题,在OC48接口卡上就采用了多个接地层。保持开口层和布 线层位置的层叠对称可以避免卡变形并简化制作过程。由于1盎司覆铜板耐大电流的能力 强,3.3V电源层和对应的接地层要采用1盎司覆铜板,其它层可以采用0.5盎司覆铜板,这 样,可以降低暂态高电流或尖峰期间引起的电压波动 如果你从接地层往上设计一个复杂的系统,应采用0093英寸和0.100英寸厚度的卡以 支撑布线层及接地隔离层。卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布线特征尺寸调整,以便使 钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商提供的金属化孔的宽高比 如果要用最少的布线层数设计一个低成本、高产量的商业产品,则在布局或布线之前, 要仔细考虑混合信号PCB上所有特殊电源的布线细节。在开始布局和布线之前,要让目标 制造商复査初步的分层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗(带容差)和 最小的过孔焊盘和孔的尺寸来分层,制造商应该书面提供分层建议 建议中要包含所有受控阻抗带状线和微带线的配置实例。要将你对阻抗的预测与制造商 对阻抗的结合起来考虑,然后,利用这些阻抗预测可以验证用于开发CAD布线规则的仿真 工具中的信号布线特性。 三、OC48卡的布局 在光收发器和DSP之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样,所有特殊电源和 参考电压电路也使该卡的模拟和数字电源传输电路之间产生大量的耦合。有时,受机壳形状 的限制,不得不设计高密度板卡。由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分元件尺寸较高, 使收发器在卡中的位置很大程度上被固定死。系统IO连接器位置和信号分配也是固定的。 这是布局之前必须完成的基础工作(见图4) 与大多数成功的高密度模拟布局和布线方案一样,布局要满足布线的要求,布局和布线 的要求必须互相兼顾。对一块混合信号PCB的模拟部分和2Ⅴ工作电压的本地CPU内核, 不推荐采用“先布局后布线”的方法。对OC48卡来说,DSP模拟电路部分包含有模拟参考电 压和模拟电源旁路电容的部分应首先互动布线。完成布线后,具有模拟元件和布线的整个 DSP要放到距离光收发器足够近的地方,充分保证高速模拟差分信号到DSP的布线长度最 短、弯曲和过孔最少。差分布局和布线的对称性将减少共模噪声的影响。但是,在布线之前 很难预测布局的最佳方案(见图5) 要向芯片分销商咨询PCB排板的设计指南。在按照指南设计之前,要与分销商的应用
高速 PCB 设计指南 - 2 - 理器、可编程门阵列以及在 OC48 卡上的 DSP 和微处理器的系统接口电路相连接。独立的 锁相环、电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。 其中，微处理器是一个多电源器件，主电源为 2V，3.3V 的 I/O 信号电源由板上其他数 字器件共享。独立数字时钟源为 OC48 I/O、微处理器和系统 I/O 提供时钟。 经过检查不同功能电路块的布局和布线要求，初步建议采用 12 层板，如图 3 所示。微 带和带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之 间设置接地层，将把敏感的模拟参考源、CPU 核和 PLL 滤波器电源的布线与在第一层的微 处理器和 DSP 器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的，与 OC48 卡上为共享 3.3V 电源 层所做的一样。这样将降低电源和地之间的阻抗，从而减少电源信号上的噪声。 要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线，否则，电源信号的噪声将 耦合到敏感的模拟信号之中。 要根据数字信号布线的需要，仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口(split)，特别是在 混合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传 输线回路。这些都会造成信号质量、时序和 EMI 问题。 有时增加若干接地层，或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层，就可 以取消开口并避免出现上述问题，在 OC48 接口卡上就采用了多个接地层。保持开口层和布 线层位置的层叠对称可以避免卡变形并简化制作过程。由于 1 盎司覆铜板耐大电流的能力 强，3.3V 电源层和对应的接地层要采用 1 盎司覆铜板，其它层可以采用 0.5 盎司覆铜板，这 样，可以降低暂态高电流或尖峰期间引起的电压波动。 如果你从接地层往上设计一个复杂的系统，应采用 0.093 英寸和 0.100 英寸厚度的卡以 支撑布线层及接地隔离层。卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布线特征尺寸调整，以便使 钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商提供的金属化孔的宽高比。 如果要用最少的布线层数设计一个低成本、高产量的商业产品，则在布局或布线之前， 要仔细考虑混合信号 PCB 上所有特殊电源的布线细节。在开始布局和布线之前，要让目标 制造商复查初步的分层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗(带容差)和 最小的过孔焊盘和孔的尺寸来分层，制造商应该书面提供分层建议。 建议中要包含所有受控阻抗带状线和微带线的配置实例。要将你对阻抗的预测与制造商 对阻抗的结合起来考虑，然后，利用这些阻抗预测可以验证用于开发 CAD 布线规则的仿真 工具中的信号布线特性。 三、OC48 卡的布局 在光收发器和 DSP 之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样，所有特殊电源和 参考电压电路也使该卡的模拟和数字电源传输电路之间产生大量的耦合。有时，受机壳形状 的限制，不得不设计高密度板卡。由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分元件尺寸较高， 使收发器在卡中的位置很大程度上被固定死。系统 I/O 连接器位置和信号分配也是固定的。 这是布局之前必须完成的基础工作(见图 4)。 与大多数成功的高密度模拟布局和布线方案一样，布局要满足布线的要求，布局和布线 的要求必须互相兼顾。对一块混合信号 PCB 的模拟部分和 2V 工作电压的本地 CPU 内核， 不推荐采用“先布局后布线”的方法。对 OC48 卡来说，DSP 模拟电路部分包含有模拟参考电 压和模拟电源旁路电容的部分应首先互动布线。完成布线后，具有模拟元件和布线的整个 DSP 要放到距离光收发器足够近的地方，充分保证高速模拟差分信号到 DSP 的布线长度最 短、弯曲和过孔最少。差分布局和布线的对称性将减少共模噪声的影响。但是，在布线之前 很难预测布局的最佳方案(见图 5)。 要向芯片分销商咨询 PCB 排板的设计指南。在按照指南设计之前，要与分销商的应用
高速PCB设计指南 工程师充分交流。许多芯片分销商对提供高质量的布板建议有严格的时间限制。有时,他们 提供的解决方案对于使用该器件的“一级客户”是可行的。在信号完整性(SI)设计领域,新器 件的信号完整性设计特别重要。根据分销商的基本指南并与封装中每条电源和接地引脚的特 定要求相结合,就可以开始对集成了DSP和微处理器的OC48卡布局布线。 高频模拟部分的位置和布线确定后,就可以按照框图中所示的分组方法放置其余的数字 电路。要注意仔细设计下列电路:对模拟信号灵敏度高的CP中PLL电源滤波电路的位置 本地CPU内核电压调整器:用于“数字”微处理器的参考电压电路 数字布线的电气和制造准则规范此时才可以恰当地应用到设计之中。前述对高速数字总 线和时钟信号的信号完整性的设计,揭示出一些对处理器总线、平衡Ts及某些时钟信号布 线的时滞匹配的特殊布线拓扑要求。但是你或许不知道,也有人提出更新的建议,即增加若 干端接电阻 在解决问题的过程中,布板阶段做一些调整是当然的事。但是,在开始布线之前,很重 要的一步是按照布局方案验证数字部分的时序。此时此刻,对板卡进行完整 DEM/DET布局 复查将有助于确保该卡满足客户的需要 四、OC48卡的数字布线 对于数字器件电源线和混合信号DSP的数字部分,数字布线要从SMD出路图( escape atterns开始。要采用装配工艺允许的最短和最宽的印制线。对于高频器件来说,电源的印 制线相当于小电感,它将恶化电源噪声,使模拟和数字电路之间产生不期望的耦合。电源印 制线越长,电感越大。 采用数字旁路电容可以得到最佳的布局和布线方案。简言之,根据需要微调旁路电容的 位置,使之安装方便并分布在数字部件和混合信号器件数字部分的周围。要采用同样的“最 短和最宽的走线”方法对旁路电容出路图进行布线 当电源分支要穿过连续的平面时(如OC48接口卡上的33V电源层),则电源引脚和旁路 电容本身不必共享相同的出口图,就可以得到最低的电感和ESR旁路。在OC48接口卡这 样的混合信号PCB上,要特别注意电源分支的布线。记住,要在整个卡上以矩阵排列的形 式放置额外的旁路电容,即使在无源器件附近也要放置(见图6)。 电源出路图确定之后,就可以开始自动布线。OC48卡上的ATE测试触点要在逻辑设计 时定义。要确保ATE接触到100%的节点。为了以0.070英寸的最小ATE测试探头实现ATE 测试,必须保留引出过孔( breakout via)的位置,以保证电源层不会被过孔的反面焊盘 antipas)) 交叉所隔断 如果要釆用一个电源和接地层开口(spli)方案,应在平行于开口的邻近布线层上选择偏 移层( layer bias)。在邻近层上按该开口区域的周长定义禁止布线区,防止布线进入。如果布 线必须穿过开口区域到另一层,应确保与布线相邻的另一层为连续的接地层。这将减少反射 路径。让旁路电容跨过开口的电源层对一些数字信号的布板有好处,但不推荐在数字和模拟 电源层之间进行桥接,这是因为噪声会通过旁路电容互相耦合 若干最新的自动布线应用程序能够对高密度多层数字电路进行布线。初步布线阶段要在 SMD出口中使用0050英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用的封装类型,后续布线阶段要容 许过孔的位置互相靠得比较近,这样所有工具都能实现最高的布通率和最低的过孔数。由于 OC48处理器总线采用一种改进的星形拓扑结构,在自动布线时其优先级最高(见图7)。 总结 OC48卡布板完成之后要进行信号完整性核査和时序仿真。仿真证明布线指导达到预期的要 求并改善了第二层总线的时序指标。最后进行设计规则检查、最终制造的复查、光罩和复查 并签发给制造者,则布板任务才正式结束
高速 PCB 设计指南 - 3 - 工程师充分交流。许多芯片分销商对提供高质量的布板建议有严格的时间限制。有时，他们 提供的解决方案对于使用该器件的“一级客户”是可行的。在信号完整性(SI)设计领域，新器 件的信号完整性设计特别重要。根据分销商的基本指南并与封装中每条电源和接地引脚的特 定要求相结合，就可以开始对集成了 DSP 和微处理器的 OC48 卡布局布线。 高频模拟部分的位置和布线确定后，就可以按照框图中所示的分组方法放置其余的数字 电路。要注意仔细设计下列电路：对模拟信号灵敏度高的 CPU 中 PLL 电源滤波电路的位置； 本地 CPU 内核电压调整器；用于“数字”微处理器的参考电压电路。 数字布线的电气和制造准则规范此时才可以恰当地应用到设计之中。前述对高速数字总 线和时钟信号的信号完整性的设计，揭示出一些对处理器总线、平衡 Ts 及某些时钟信号布 线的时滞匹配的特殊布线拓扑要求。但是你或许不知道，也有人提出更新的建议，即增加若 干端接电阻。 在解决问题的过程中，布板阶段做一些调整是当然的事。但是，在开始布线之前，很重 要的一步是按照布局方案验证数字部分的时序。此时此刻，对板卡进行完整 DFM/DFT 布局 复查将有助于确保该卡满足客户的需要。 四、OC48 卡的数字布线 对于数字器件电源线和混合信号 DSP 的数字部分，数字布线要从 SMD 出路图(escape patterns)开始。要采用装配工艺允许的最短和最宽的印制线。对于高频器件来说，电源的印 制线相当于小电感，它将恶化电源噪声，使模拟和数字电路之间产生不期望的耦合。电源印 制线越长，电感越大。 采用数字旁路电容可以得到最佳的布局和布线方案。简言之，根据需要微调旁路电容的 位置，使之安装方便并分布在数字部件和混合信号器件数字部分的周围。要采用同样的“最 短和最宽的走线”方法对旁路电容出路图进行布线。 当电源分支要穿过连续的平面时(如 OC48 接口卡上的 3.3V 电源层)，则电源引脚和旁路 电容本身不必共享相同的出口图，就可以得到最低的电感和 ESR 旁路。在 OC48 接口卡这 样的混合信号 PCB 上，要特别注意电源分支的布线。记住，要在整个卡上以矩阵排列的形 式放置额外的旁路电容，即使在无源器件附近也要放置 (见图 6)。 电源出路图确定之后，就可以开始自动布线。OC48 卡上的 ATE 测试触点要在逻辑设计 时定义。要确保 ATE 接触到 100%的节点。为了以 0.070 英寸的最小 ATE 测试探头实现 ATE 测试，必须保留引出过孔(breakout via)的位置，以保证电源层不会被过孔的反面焊盘(antipads) 交叉所隔断。 如果要采用一个电源和接地层开口(split)方案，应在平行于开口的邻近布线层上选择偏 移层(layer bias)。在邻近层上按该开口区域的周长定义禁止布线区，防止布线进入。如果布 线必须穿过开口区域到另一层，应确保与布线相邻的另一层为连续的接地层。这将减少反射 路径。让旁路电容跨过开口的电源层对一些数字信号的布板有好处，但不推荐在数字和模拟 电源层之间进行桥接，这是因为噪声会通过旁路电容互相耦合。 若干最新的自动布线应用程序能够对高密度多层数字电路进行布线。初步布线阶段要在 SMD 出口中使用 0.050 英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用的封装类型，后续布线阶段要容 许过孔的位置互相靠得比较近，这样所有工具都能实现最高的布通率和最低的过孔数。由于 OC48 处理器总线采用一种改进的星形拓扑结构，在自动布线时其优先级最高(见图 7)。 总结 OC48 卡布板完成之后要进行信号完整性核查和时序仿真。仿真证明布线指导达到预期的要 求并改善了第二层总线的时序指标。最后进行设计规则检查、最终制造的复查、光罩和复查 并签发给制造者，则布板任务才正式结束
高速PCB设计指南 第二篇分区设计 摘要:混合信号电路PCB的设计很复杂,元器件的布局、布线以及电源和地线的处理 将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电 路的性能 如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁兼容EMC) 的两个基本原则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积;第二个原则是系统只采用一个 参考面。相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线(注:小型偶极天线的 辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比):而如果信号不能通过尽可能小的 环路返回,就可能形成一个大的环状天线(注:小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过 环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。 有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,这样能实现数字地和模拟地之 间的隔离。尽管这种方法可行,但是存在很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突 出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串 扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EM问 如图1所示,我们采用上述分割方法,而且信号线跨越了两个地之间的间隙,信号电流 的返回路径是什么呢?假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单 点连接),在这种情况下,地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐 射和很高的地电感,如果流过大环路的是低电平模拟电流,该电流很容易受到外部信号干扰。 最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时,将形成一个非常大的电流环路。另外,模拟 地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线 了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅 仅考虑信号电流从哪儿流过,而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割,而且 必须通过分割之间的间隙布线,可以先在被分割的地之间进行单点连接,形成两个地之间的 连接桥,然后通过该连接桥布线。这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流 回流路径,从而使形成的环路面积很小 采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者,跨越分割间隙的是 光信号;在采用变压器的情况下,跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是釆用差分 信号:信号从一条线流入从另外一条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。 要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频申流总是选择 阻抗最小(电感最低),直接位于信号下方的路径,因此返回电流会流过邻近的电路层,而无 论这个临近层是电源层还是地线层。 在实际工作中一般倾向于使用统一地,而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信 号在申路板所有层的模拟区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下,数字 信号返回电流不会流入到模拟信号的地 只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部 分之上时,才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地,真 正的原因是数字信号的布线不适当。 PCB设计采用统一地,通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线,通常可以 解决一些比较困难的布局布线问题,同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这 种情况下,元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理,数字地电 流将限制在电路板的数字部分,不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对 要保证百分之百遵守布线规则。否则,一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错
高速 PCB 设计指南 - 4 - 第二篇 分区设计 摘要：混合信号电路 PCB 的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理 将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电 路的性能。 如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC) 的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个 参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的 辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的 环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过 环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。 有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之 间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突 出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串 扰都会急剧增加。在 PCB 设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生 EMI 问 题。 如图 1 所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流 的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单 点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐 射和很高的地电感，如果流过大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰。 最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时，将形成一个非常大的电流环路。另外，模拟 地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。 了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅 仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且 必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的 连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流 回流路径，从而使形成的环路面积很小。 采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是 光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分 信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。 要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择 阻抗最小(电感最低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无 论这个临近层是电源层还是地线层。 在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将 PCB 分区为模拟部分和数字部分。模拟信 号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字 信号返回电流不会流入到模拟信号的地。 只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部 分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真 正的原因是数字信号的布线不适当。 PCB 设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以 解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这 种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电 流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对， 要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错
高速PCB设计指南 的电路板 在将AD转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时,大多数的AD转换器厂商会建议: 将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注:因为大多数AD 转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起,必须通过外部管脚实现模拟和数字地的 连接),任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部 的模拟电路上。按照这个建议,需要把AD转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地 上,但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题 如果系统仅有一个A/D转换器,上面的问题就很容易解决。如图3中所示,将地分割 开,在AD转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时,必须保证两个 地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙 如果系统中AD转换器较多,例如10个AD转换器怎样连接呢?如果在每一个AD 转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起,则产生多点相连,模拟地和数字地之间的隔 离就毫无意义。而如果不这样连接,就违反了厂商的要求。 最好的办法是开始时就用统一地。如图4所示,将统一的地分为模拟部分和数字部分 这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求,同时又不 会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题 如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑,可以采用地线层分割的方法对 整个电路板布局布线,在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于12英寸的 跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线,确保在所有的层上没有数字信号 线位于模拟部分之上,也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且,任何信号线都不能 跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能,然后将两个地 通过0欧姆电阻或跳线连接在一起,重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果, 会发现几乎在所有的情况下,统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越 在以下三种情况可以用到这种方法:一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间 的漏电流很低;一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备 上:另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。 在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源,能够而且应该采用分割电源面 但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而所有跨越该间隙的信号线都必须位 于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下,将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设 计可以避免电源面的分割问题 混合信号PCB设计是一个复杂的过程,设计过程要注意以下几点: 1将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。 2.合适的元器件布局。 3.AD转换器跨分区放置 4不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5在电路板的所有层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线 6在电路板的所有层中,模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 7.实现模拟和数字电源分割 8布线不能跨越分割电源面之间的间隙 9必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上 10.分析返回地电流实际流过的路径和方式 11.用正确的布线规则
高速 PCB 设计指南 - 5 - 的电路板。 在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议： 将 AGND 和 DGND 管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数 A/D 转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的 连接)，任何与 DGND 连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到 IC 内部 的模拟电路上。按照这个建议，需要把 A/D 转换器的 AGND 和 DGND 管脚都连接到模拟地 上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。 如果系统仅有一个 A/D 转换器，上面的问题就很容易解决。如图 3 中所示，将地分割 开，在 A/D 转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个 地之间的连接桥宽度与 IC 等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。 如果系统中 A/D 转换器较多，例如 10 个 A/D 转换器怎样连接呢？如果在每一个 A/D 转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔 离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。 最好的办法是开始时就用统一地。如图 4 所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。 这样的布局布线既满足了 IC 器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不 会形成环路天线或偶极天线而产生 EMC 问题。 如果对混合信号 PCB 设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对 整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于 1/2 英寸的 跳线或 0 欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号 线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能 跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和 EMC 性能，然后将两个地 通过 0 欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和 EMC 性能。比较测试结果， 会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和 EMC 性能方面比分割地更优越。 在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间 的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备 上；另外一种情况就是在 PCB 的布局受到特定限制时。 在混合信号 PCB 板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。 但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位 于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以 PCB 连接线而不是一个面来设 计可以避免电源面的分割问题。 混合信号 PCB 设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点： 1.将 PCB 分区为独立的模拟部分和数字部分。 2.合适的元器件布局。 3.A/D 转换器跨分区放置。 4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。 6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 7.实现模拟和数字电源分割。 8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。 9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。 10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。 11.采用正确的布线规则。 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
高速PCB设计指南 第六篇RF产品设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧 轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注RF电 路设计技巧。RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分,如想一次获得成功,仔 细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。 射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性,因此常被形容为一种“黑色艺 术”,但这个观点只有部分正确,RF电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的 法则。不过,在实际设计时,真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准 确地实施时如何对它们进行折衷处理 当然,有许多重要的RF设计课题值得讨论,包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠 板以及波长和驻波,不过,本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。 今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起,这对RF电路板设计来说很 不利。现在业界竞争非常激烈,人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。 模拟、数字和RF电路都紧密地挤在一起,用来隔开各自问题区域的空间非常小,而且考虑 到成本因素,电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议的是,多用途芯片可将多种功 能集成在一个非常小的裸片上,而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密,因此RF、I 模拟和数字信号非常靠近,但它们通常在电气上是不相干的。电源分配可能对设计者来说是 一个噩梦,为了延长电池寿命,电路的不同部分是根据需要而分时工作的,并由软件来控制 转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供5到6种工作电源。 RF布局概念 在设计RF布局时,有几个总的原则必须优先加以满足 尽可能地把高功率RF放大器HPA和低噪音放大器LNA隔离开来,简单地说,就是 让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路。如果你的PCB板上有很多物理空间,那么 你可以很容易地做到这一点,但通常元器件很多,PCB空间较小,因而这通常是不可能的 你可以把他们放在PCB板的两面,或者让它们交替工作,而不是同时工作。高功率电路有 时还可包括RF缓冲器和压控制振荡器(VCO。 确保PCB板上高功率区至少有一整块地,最好上面没有过孔,当然,铜皮越多越好 稍后,我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则,以及如何避免由此而可能引起的问题。 芯片和电源去耦同样也极为重要,稍后将讨论实现这个原则的几种方法 RF输出通常需要远离RF输入,稍后我们将进行详细讨论。 敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和RF信号。 二、如何进行分区? 设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽 等问题:电气分区可以继续分解为电源分配、RF走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。 首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀RF设计的关键,最有效的技 术是首先固定位于RF路径上的元器件,并调整其朝向以将RF路径的长度减到最小,使输 入远离输出,并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。 最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的箅二层,并尽可熊将RF 线走在表层上。将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感,而且还可以减少 主地上的虚焊点,并可减少RF能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。 在物理空间上,像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个RF区之间相互隔离开来
高速 PCB 设计指南 - 6 - 第六篇 RF 产品设计过程中降低信号耦合的 PCB 布线技巧 一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注 RF 电 路设计技巧。RF 电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分，如想一次获得成功，仔 细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。 射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种“黑色艺 术”，但这个观点只有部分正确，RF 电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的 法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准 确地实施时如何对它们进行折衷处理。 当然，有许多重要的 RF 设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠 板以及波长和驻波，不过，本文将集中探讨与 RF 电路板分区设计有关的各种问题。 今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起，这对 RF 电路板设计来说很 不利。现在业界竞争非常激烈，人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。 模拟、数字和 RF 电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域的空间非常小，而且考虑 到成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议的是，多用途芯片可将多种功 能集成在一个非常小的裸片上，而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密，因此 RF、IF、 模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干的。电源分配可能对设计者来说是 一个噩梦，为了延长电池寿命，电路的不同部分是根据需要而分时工作的，并由软件来控制 转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供 5 到 6 种工作电源。 一、RF 布局概念 在设计 RF 布局时，有几个总的原则必须优先加以满足： 尽可能地把高功率 RF 放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单地说，就是 让高功率 RF 发射电路远离低功率 RF 接收电路。如果你的 PCB 板上有很多物理空间，那么 你可以很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB 空间较小，因而这通常是不可能的。 你可以把他们放在 PCB 板的两面，或者让它们交替工作，而不是同时工作。高功率电路有 时还可包括 RF 缓冲器和压控制振荡器(VCO)。 确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜皮越多越好。 稍后，我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则，以及如何避免由此而可能引起的问题。 芯片和电源去耦同样也极为重要，稍后将讨论实现这个原则的几种方法。 RF 输出通常需要远离 RF 输入，稍后我们将进行详细讨论。 敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号。 二、如何进行分区？ 设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽 等问题；电气分区可以继续分解为电源分配、RF 走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。 首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀 RF 设计的关键，最有效的技 术是首先固定位于 RF 路径上的元器件，并调整其朝向以将 RF 路径的长度减到最小，使输 入远离输出，并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。 最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层，并尽可能将 RF 线走在表层上。将 RF 路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感，而且还可以减少 主地上的虚焊点，并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。 在物理空间上，像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个 RF 区之间相互隔离开来
高速PCB设计指南 但是双工器、混频器和中频放大器/混频器总是有多个RF/F信号相互干扰,因此必须小心 地将这一影响减到最小。RF与I走线应尽可能走十字交叉,并尽可能在它们之间隔一块 地。正确的RF路径对整块PCB板的性能而言非常重要,这也就是为什么元器件布局通常 在蜂窝电话PCB板设计中占大部分时间的原因。 在蜂窝电话PCB板上,通常可以将低噪音放大器电路放在PCB板的某一面,而高功率 放大器放在另一面,并最终通过双工器把它们在同一面上连接到RF端和基带处理器端的天 线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把RF能量从板的一面传递到另一面,常用的技术 是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域来将 直通过孔的不利影响减到最小 有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离,在这种情况下就必须考虑采用金属屏 蔽罩将射频能量屏蔽在RF区域内,但金属屏蔽罩也存在问题,例如:自身成本和装配成本 都很贵 外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度,长方形或正方形金属屏蔽罩又使元 器件布局受到一些限制:金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位:由于金属屏蔽罩必须焊 在地上,必须与元器件保持一个适当距离,因此需要占用宝贵的PCB板空间 尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要,进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层, 而且最好走线层的下面一层PCB是地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地 缺口处的布线层上走出去,不过缺口处周围要尽可能地多布一些地,不同层上的地可通过多 个过孔连在一起 尽管有以上的问题,但是金属屏蔽罩非常有效,而且常常还是隔离关键电路的唯一解决 方案 此外,恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要。许多集成了线性线路的RF芯片对电源 的噪音非常敏感,通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的 电源噪音(见图1)。 最小电容值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感,C4的值就是据此选择的。C3和 C2的值由于其自身引脚电感的关系而相对较大一些,从而RF去耦效果要差一些,不过它 们较适合于滤除较低频率的噪声信号。电感Ll使RF信号无法从电源线耦合到芯片中。记 住:所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射RF信号的天线,另外将感应的射频信号 与关键线路隔离开也很必要 这些去耦元件的物理位置通常也很关键,图2表示了一种典型的布局方法。这几个重要 元件的布局原则是:C4要尽可能靠近IC引脚并接地,C3必须最靠近C4,C2必须最靠近 C3,而且IC引脚与C4的连接走线要尽可能短,这几个元件的接地端(尤其是C4)通常应当 通过下一地层与芯片的接地引脚相连。将元件与地层相连的过孔应该尽可能靠近PCB板上 元件焊盘,最好是使用打在焊盘上的盲孔以将连接线电感减到最小,电感应该靠近Cl 一热集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出,因些需要一个上拉电感来提供一个 高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源,同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去 粗。有些芯片需要多个电源才能工作,因此你可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进 行去耦处理,如果该芯片周围没有足够空间的话,那么可能会遇到一些麻烦。 记住电感极少并行靠在一起,因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号, 因此它们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度,或者成直角排列以将其互感减到最 电气分区原则大体上与物理分区相同,但还包含一些其它因素。现代蜂窝电话的某些部 分采用不同工作电压,并借助软件对其进行控制,以延长电池工作寿命。这意味着蜂窝电话 需要运行多种电源,而这给隔离带来了更多的问题。电源通常从连接器引入,并立即进行去
高速 PCB 设计指南 - 7 - 但是双工器、混频器和中频放大器/混频器总是有多个 RF/IF 信号相互干扰，因此必须小心 地将这一影响减到最小。RF 与 IF 走线应尽可能走十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块 地。正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而言非常重要，这也就是为什么元器件布局通常 在蜂窝电话 PCB 板设计中占大部分时间的原因。 在蜂窝电话 PCB 板上，通常可以将低噪音放大器电路放在 PCB 板的某一面，而高功率 放大器放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到 RF 端和基带处理器端的天 线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把 RF 能量从板的一面传递到另一面，常用的技术 是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在 PCB 板两面都不受 RF 干扰的区域来将 直通过孔的不利影响减到最小。 有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离，在这种情况下就必须考虑采用金属屏 蔽罩将射频能量屏蔽在 RF 区域内，但金属屏蔽罩也存在问题，例如：自身成本和装配成本 都很贵； 外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使元 器件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊 在地上，必须与元器件保持一个适当距离，因此需要占用宝贵的 PCB 板空间。 尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要，进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层， 而且最好走线层的下面一层 PCB 是地层。RF 信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地 缺口处的布线层上走出去，不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上的地可通过多 个过孔连在一起。 尽管有以上的问题，但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路的唯一解决 方案。 此外，恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要。许多集成了线性线路的 RF 芯片对电源 的噪音非常敏感，通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的 电源噪音(见图 1)。 最小电容值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感，C4 的值就是据此选择的。C3 和 C2 的值由于其自身引脚电感的关系而相对较大一些，从而 RF 去耦效果要差一些，不过它 们较适合于滤除较低频率的噪声信号。电感 L1 使 RF 信号无法从电源线耦合到芯片中。记 住：所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射 RF 信号的天线，另外将感应的射频信号 与关键线路隔离开也很必要。 这些去耦元件的物理位置通常也很关键，图 2 表示了一种典型的布局方法。这几个重要 元件的布局原则是：C4 要尽可能靠近 IC 引脚并接地，C3 必须最靠近 C4，C2 必须最靠近 C3，而且 IC 引脚与 C4 的连接走线要尽可能短，这几个元件的接地端(尤其是 C4)通常应当 通过下一地层与芯片的接地引脚相连。将元件与地层相连的过孔应该尽可能靠近 PCB 板上 元件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲孔以将连接线电感减到最小，电感应该靠近 C1。 一块集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出，因此需要一个上拉电感来提供一个 高阻抗 RF 负载和一个低阻抗直流电源，同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去 耦。有些芯片需要多个电源才能工作，因此你可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进 行去耦处理，如果该芯片周围没有足够空间的话，那么可能会遇到一些麻烦。 记住电感极少并行靠在一起，因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号， 因此它们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度，或者成直角排列以将其互感减到最 小。 电气分区原则大体上与物理分区相同，但还包含一些其它因素。现代蜂窝电话的某些部 分采用不同工作电压，并借助软件对其进行控制，以延长电池工作寿命。这意味着蜂窝电话 需要运行多种电源，而这给隔离带来了更多的问题。电源通常从连接器引入，并立即进行去
高速PCB设计指南 耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声,然后再经过一组开关或稳压器之后对其进行分 蜂窝电话里大多数电路的直流电流都相当小,因此走线宽度通常不是问题,不过,必须 为高功率放大器的电源单独走一条尽可能宽的大电流线,以将传输压降减到最低。为了避 免太多电流损耗,需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。此外,如果不能在高 功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦,那么高功率噪声将会辐射到整块板上,并带 来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当关键,并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩 在大多数情况下,同样关键的是确保RF输出远离RF输入。这也适用于放大器、缓冲 器和滤波器。在最坏情况下,如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的 输入端,那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下,它们将能在任何温度和电压条件 下稳定地工作。实际上,它们可能会变得不稳定,并将噪音和互调信号添加到RF信号上 如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端,这可能会严重损害滤波器的带通 特性。为了使输入和输出得到良好的隔离,首先必须在滤波器周围布一圈地,其次滤波器下 层区域也要布一块地,并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能 远离滤波器引脚也是个好方法。此外,整块板上各个地方的接地都要十分小心,否则你可能 会在不知不觉之中引入一条你不希望发生的耦合通道。图3详细说明了这一接地办法 有时可以选择走单端或平衡RF信号线,有关交叉干扰和 EMC/EM的原则在这里同样 适用。平衡RF信号线如果走线正确的话,可以减少噪声和交叉干扰,但是它们的阻抗通常 比较高,而且要保持一个合理的线宽以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗,实际布线 可能会有一些困难 缓冲器可以用来提高隔离效果,因为它可把同一个信号分为两个部分,并用于驱动不同 的电路,特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器。当混频器在RF频率处到达共模隔 离状态时,它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化,从而电路之 间不会相互干扰。 缓冲器对设计的帮助很大,它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面,从而使高功率输出 走线非常短,由于缓冲器的输入信号电平比较低,因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。 还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意,但它们超出了本文探讨的范围,因此 本文仅略作论述,不再进行详细说明。 压控振荡器(VCO可将变化的电压转换为变化的频率,这一特性被用于高速频道切换, 但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化,而这就给RF信号増加了噪 声。总的来说,在这一级以后你再也没有办法从RF输出信号中将噪声去掉。那么困难在哪 里呢?首先,控制线的期望频宽范围可能从DC直到ΣMz,而通过滤波来去掉这么宽频带 的噪声几乎是不可能的:其次,vCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分,它 在很多地方都有可能引入噪声,因此必须非常小心处理VCO控制线 要确保RF走线下层的地是实心的,而且所有的元器件都牢固地连到主地上,并与其它 可能带来噪声的走线隔离开来。此外,要确保ⅤCO的电源已得到充分去耦,由于VCO的 RF输出往往是一个相对较高的电平,vCO输出信号很容易干扰其它电路,因此必须对ⅴCO 加以特别注意。事实上,YCO往往布放在RF区域的末端,有时它还需要一个金属屏蔽罩。 谐振电路(一个用于发射机,另一个用于接收机与VCO有关,但也有它自己的特点 简单地讲,谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路,它有助于设置VCO工作频率 和将语音或数据调制到RF信号上 所有vCO的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、 板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的RF频率下,因此谐振电路通常对噪声非常敏
高速 PCB 设计指南 - 8 - 耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声，然后再经过一组开关或稳压器之后对其进行分 配。 蜂窝电话里大多数电路的直流电流都相当小，因此走线宽度通常不是问题，不过，必须 为高功率放大器的电源单独走一条尽可能宽的大电流线，以将传输压降减到最低。为了避 免太多电流损耗，需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。此外，如果不能在高 功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪声将会辐射到整块板上，并带 来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当关键，并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。 在大多数情况下，同样关键的是确保 RF 输出远离 RF 输入。这也适用于放大器、缓冲 器和滤波器。在最坏情况下，如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的 输入端，那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下，它们将能在任何温度和电压条件 下稳定地工作。实际上，它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调信号添加到 RF 信号上。 如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端，这可能会严重损害滤波器的带通 特性。为了使输入和输出得到良好的隔离，首先必须在滤波器周围布一圈地，其次滤波器下 层区域也要布一块地，并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能 远离滤波器引脚也是个好方法。此外，整块板上各个地方的接地都要十分小心，否则你可能 会在不知不觉之中引入一条你不希望发生的耦合通道。图 3 详细说明了这一接地办法。 有时可以选择走单端或平衡 RF 信号线，有关交叉干扰和 EMC/EMI 的原则在这里同样 适用。平衡 RF 信号线如果走线正确的话，可以减少噪声和交叉干扰，但是它们的阻抗通常 比较高，而且要保持一个合理的线宽以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗，实际布线 可能会有一些困难。 缓冲器可以用来提高隔离效果，因为它可把同一个信号分为两个部分，并用于驱动不同 的电路，特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器。当混频器在 RF 频率处到达共模隔 离状态时，它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化，从而电路之 间不会相互干扰。 缓冲器对设计的帮助很大，它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面，从而使高功率输出 走线非常短，由于缓冲器的输入信号电平比较低，因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。 还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意，但它们超出了本文探讨的范围，因此 本文仅略作论述，不再进行详细说明。 压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率，这一特性被用于高速频道切换， 但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化，而这就给 RF 信号增加了噪 声。总的来说，在这一级以后你再也没有办法从 RF 输出信号中将噪声去掉。那么困难在哪 里呢？首先，控制线的期望频宽范围可能从 DC 直到 2MHz，而通过滤波来去掉这么宽频带 的噪声几乎是不可能的；其次，VCO 控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分，它 在很多地方都有可能引入噪声，因此必须非常小心处理 VCO 控制线。 要确保 RF 走线下层的地是实心的，而且所有的元器件都牢固地连到主地上，并与其它 可能带来噪声的走线隔离开来。此外，要确保 VCO 的电源已得到充分去耦，由于 VCO 的 RF 输出往往是一个相对较高的电平，VCO 输出信号很容易干扰其它电路，因此必须对 VCO 加以特别注意。事实上，VCO 往往布放在 RF 区域的末端，有时它还需要一个金属屏蔽罩。 谐振电路(一个用于发射机，另一个用于接收机)与 VCO 有关，但也有它自己的特点。 简单地讲，谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路，它有助于设置 VCO 工作频率 和将语音或数据调制到 RF 信号上。 所有 VCO 的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、 板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的 RF 频率下，因此谐振电路通常对噪声非常敏
高速PCB设计指南 感。信号通常排列在芯片的相邻脚上,但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合 才能工作,这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近,并连回到一个对噪声很敏感 的控制环路上。要做到这点是不容易的。 自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方,不管是发射还是接收电路都 会有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地滤掉噪声,不过由于蜂窝电话具备处理发射和 接收信号强度快速变化的能力,因此要求AGC电路有一个相当宽的带宽,而这使某些关键 电路上的AGC放大器很容易引入噪声 设计AGC线路必须遵守良好的模拟电路设计技术,而这跟很短的运放输入引脚和很短 的反馈路径有关,这两处都必须远离RF、I或高速数字信号走线。同样,良好的接地也必 不可少,而且芯片的电源必须得到良好的去糰。如果必须要在输入或输出端走一根长线,那 么最好是在输出端,通常输出端的阻抗要低得多,而且也不容易感应噪声。通常信号电平越 高,就越容易把噪声引入到其它电路。 在所有PCB设计中,尽可能将数字电路远高模拟电路是一条总的原则,它同样也适用 于 RF PCB设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的,问题在于如 果没有预见和事先仔细的计划,每次你能在这方面所做的事都很少。因此在设计早期阶段, 仔细的计划、考虑周全的元器件布局和彻底的布局评估都非常重要,由于疏忽而引起的设计 更改将可能导致一个即将完成的设计又必须推倒重来。这一因疏忽而导致的严重后果,无论 如何对你的个人事业发展来说不是一件好事 同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号,所有的RF走线、焊盘和元 件周围应尽可能多填接地铜皮,并尽可能与主地相连。类似面包板的微型过孔构造板在R 线路开发阶段很有用,如果你选用了构造板,那么你毋须花费任何开销就可随意使用很多过 孔,否则在普通PCB板上钻孔将会增加开发成本,而这在大批量生产时会增加成本 如果RF走 过信号线,那么尽量在它们之间沿着RF走线布一层与主地相连的 地。如果不可能的话,一定要保证它们是十字交叉的,这可将容性耦合减到最小,同时尽 可能在每根RF走线周围多布一些地,并把它们连到主地。此外,将并行RF走线之间的距 离减到最小可以将感性耦合减到最小。 个实心的整块接地面直接放在表层下第一层时,隔离效果最好,尽管小心一点设计时 其它的做法也管用。我曾试过把接地面分成几块来隔离模拟、数字和RF线路,但我从未对 结果感到满意过,因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的地,这不是一件好事。 在PCB板的每一层,应布上尽可能多的地,并把它们连到主地面。尽可能把走线靠在 起以增加内部信号层和电源分配层的地块数量,并适当调整走线以便你能将地连接过孔布 置到表层上的隔离地块。应当避免在PCB各层上生成游离地,因为它们会像一个小天线那 样拾取或注入噪音。在大多数情况下,如果你不能把它们连到主地,那么你最好把它们去掉。 本文小结 在拿到一张工程更改单(ECO时,要冷静,不要轻易消除你所有辛辛苦苦才完成的工作 张ECO很轻易使你的工作陷入混乱,不管需要做的修改是多么的微小。当你必须在某个 时间段里完成一份工作时,你很容易就会忘记一些关键的东西,更不用说要作出更改了。 不论是不是“黑色艺术”,遵守一些基本的RF设计规则和留意一些优秀的设计实例将可 帮助你完成RF设计工作。成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细 节才有可能实现,这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划,并对每个设 计步骤的工作进展进行全面持续地评估
高速 PCB 设计指南 - 9 - 感。信号通常排列在芯片的相邻脚上，但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合 才能工作，这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近，并连回到一个对噪声很敏感 的控制环路上。要做到这点是不容易的。 自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方，不管是发射还是接收电路都 会有 AGC 放大器。AGC 放大器通常能有效地滤掉噪声，不过由于蜂窝电话具备处理发射和 接收信号强度快速变化的能力，因此要求 AGC 电路有一个相当宽的带宽，而这使某些关键 电路上的 AGC 放大器很容易引入噪声。 设计 AGC 线路必须遵守良好的模拟电路设计技术，而这跟很短的运放输入引脚和很短 的反馈路径有关，这两处都必须远离 RF、IF 或高速数字信号走线。同样，良好的接地也必 不可少，而且芯片的电源必须得到良好的去耦。如果必须要在输入或输出端走一根长线，那 么最好是在输出端，通常输出端的阻抗要低得多，而且也不容易感应噪声。通常信号电平越 高，就越容易把噪声引入到其它电路。 在所有 PCB 设计中，尽可能将数字电路远离模拟电路是一条总的原则，它同样也适用 于 RF PCB 设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的，问题在于如 果没有预见和事先仔细的计划，每次你能在这方面所做的事都很少。因此在设计早期阶段， 仔细的计划、考虑周全的元器件布局和彻底的布局评估都非常重要，由于疏忽而引起的设计 更改将可能导致一个即将完成的设计又必须推倒重来。这一因疏忽而导致的严重后果，无论 如何对你的个人事业发展来说不是一件好事。 同样应使 RF 线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号，所有的 RF 走线、焊盘和元 件周围应尽可能多填接地铜皮，并尽可能与主地相连。类似面包板的微型过孔构造板在 RF 线路开发阶段很有用，如果你选用了构造板，那么你毋须花费任何开销就可随意使用很多过 孔，否则在普通 PCB 板上钻孔将会增加开发成本，而这在大批量生产时会增加成本。 如果 RF 走线必须穿过信号线，那么尽量在它们之间沿着 RF 走线布一层与主地相连的 地。如果不可能的话，一定要保证它们是十字交叉的，这可将容性耦合减到最小，同时尽 可能在每根 RF 走线周围多布一些地，并把它们连到主地。此外，将并行 RF 走线之间的距 离减到最小可以将感性耦合减到最小。 一个实心的整块接地面直接放在表层下第一层时，隔离效果最好，尽管小心一点设计时 其它的做法也管用。我曾试过把接地面分成几块来隔离模拟、数字和 RF 线路，但我从未对 结果感到满意过，因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的地，这不是一件好事。 在 PCB 板的每一层，应布上尽可能多的地，并把它们连到主地面。尽可能把走线靠在 一起以增加内部信号层和电源分配层的地块数量，并适当调整走线以便你能将地连接过孔布 置到表层上的隔离地块。应当避免在 PCB 各层上生成游离地，因为它们会像一个小天线那 样拾取或注入噪音。在大多数情况下，如果你不能把它们连到主地，那么你最好把它们去掉。 本文小结 在拿到一张工程更改单(ECO)时，要冷静，不要轻易消除你所有辛辛苦苦才完成的工作。 一张 ECO 很轻易使你的工作陷入混乱，不管需要做的修改是多么的微小。当你必须在某个 时间段里完成一份工作时，你很容易就会忘记一些关键的东西，更不用说要作出更改了。 不论是不是“黑色艺术”，遵守一些基本的 RF 设计规则和留意一些优秀的设计实例将可 帮助你完成 RF 设计工作。成功的 RF 设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细 节才有可能实现，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设 计步骤的工作进展进行全面持续地评估
