在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問(wèn)題困擾著許多中國(guó)工程師。本文通過(guò)簡(jiǎn)單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測(cè)量方法。在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問(wèn)題之一。首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個(gè)具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號(hào)在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動(dòng)時(shí)，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓波信號(hào)沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號(hào)確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號(hào)的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號(hào)”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對(duì)傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號(hào)開(kāi)始沿著這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時(shí)間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流通過(guò)上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

在PCB(印制電路板)中，印制導(dǎo)線用來(lái)實(shí)現(xiàn)電路元件和器件之間電氣連接，是PCB中的重要組件，PCB導(dǎo)線多為銅線，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過(guò)程中必然存在一定的阻抗，導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸，而電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸，在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重，因此，在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除印制導(dǎo)線阻抗所帶來(lái)的影響。1印制導(dǎo)線產(chǎn)生干擾的原因PCB上的印制導(dǎo)線通電后在直流或交流狀態(tài)下分別對(duì)電流呈現(xiàn)電阻或感抗，而平行導(dǎo)線之間存在電感效應(yīng)，電阻效應(yīng)，電導(dǎo)效應(yīng)，互感效應(yīng);一根導(dǎo)線上的變化電流必然影響另一根導(dǎo)線，從而產(chǎn)生干擾;PCB板外連接導(dǎo)線甚至元器件引線都可能成為發(fā)射或接收干擾信號(hào)的天線。印制導(dǎo)線的直流電阻和交流阻抗可以通過(guò)公式和公式來(lái)計(jì)算，R=PL/S和XL=2πfL式中L為印制導(dǎo)線長(zhǎng)度(m)，s為導(dǎo)線截面積(mm2)，ρ為銅的電阻率，TT為常數(shù)，f為交流頻率。正是由于這些阻抗的存在，從而產(chǎn)生一定的電位差，這些電位差的存在，必然會(huì)帶來(lái)干擾，從而影響電路的正常工作。2 PCB電流與導(dǎo)線寬度的關(guān)系PCB導(dǎo)線寬度與電路電流承載值有關(guān)，一般導(dǎo)線越寬，承載電流的能力越強(qiáng)。在實(shí)際的PCB制作過(guò)程中，導(dǎo)線寬度應(yīng)以能滿足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流大小而定，導(dǎo)線寬度和間距可取0.3mm(12mil)。導(dǎo)線的寬度在大電流的情況下還要考慮其溫升問(wèn)題。PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線寬

臺(tái)灣專業(yè)線路板貼片(一) 畫(huà)好原理圖很多工程師都覺(jué)得layout工作更重要一些，原理圖就是為了生成網(wǎng)表方便PCB做檢查用的。線路板貼片加工廠其實(shí)，在后續(xù)電路調(diào)試過(guò)程中原理圖的作用會(huì)更大一些。無(wú)論是查找問(wèn)題還是和同事交流，還是原理圖更直觀更方便。另外養(yǎng)成在原理圖中做標(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時(shí)候要注意到的問(wèn)題標(biāo)注在原理圖上，對(duì)自己或者對(duì)別人都是一個(gè)很好的提醒。層次化原理圖，把不同功能不同模塊的電路分成不同的頁(yè)，這樣無(wú)論是讀圖還是以后重復(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計(jì)總是要比設(shè)計(jì)新電路的風(fēng)險(xiǎn)小。每次看到把所有電路都放在一張圖紙上，一片密密麻麻的器件，腦袋就能大一圈。(二) 好好進(jìn)行電路布局心急的工程師畫(huà)完原理圖，把網(wǎng)表導(dǎo)入PCB后就迫不及待的把器件放好，開(kāi)始拉線。其實(shí)一個(gè)好的PCB布局能讓你后面的拉線工作變得簡(jiǎn)單，讓你的PCB工作的更好。每一塊板子都會(huì)有一個(gè)信號(hào)路徑，PCB布局也應(yīng)該盡量遵循這個(gè)信號(hào)路徑，讓信號(hào)在板子上可以順暢的傳輸，人們都不喜歡走迷宮，信號(hào)也一樣。如果原理圖是按照模塊設(shè)計(jì)的，PCB也一樣可以。按照不同的功能模塊可以把板子劃分為若干區(qū)域。模擬數(shù)字分開(kāi)，電源信號(hào)分開(kāi)，發(fā)熱器件和易感器件分開(kāi)，體積較大的器件不要太靠近板邊，注意射頻信號(hào)的屏蔽等等……多花一分的時(shí)間去優(yōu)化PCB的布局，就能在拉線的時(shí)候節(jié)省更多的時(shí)間。

(一) 細(xì)節(jié)決定成敗PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)細(xì)致的工作，需要的就是細(xì)心和耐心。剛開(kāi)始做設(shè)計(jì)的新手經(jīng)常犯的錯(cuò)誤就是一些細(xì)節(jié)錯(cuò)誤。器件管腳弄錯(cuò)了，器件封裝用錯(cuò)了，管腳順序畫(huà)反了等等，有些可以通過(guò)飛線來(lái)解決，有些可能就讓一塊板子直接變成了廢品。畫(huà)封裝的時(shí)候多檢查一遍，投板之前把封裝打印出來(lái)和實(shí)際器件比一下，多看一眼，多檢查一遍不是強(qiáng)迫癥，只是讓這些容易犯的低級(jí)錯(cuò)誤盡量避免。否則設(shè)計(jì)的再好看的板子，上面布滿飛線，也就遠(yuǎn)談不上優(yōu)秀了。(二) 學(xué)會(huì)設(shè)置規(guī)則其實(shí)現(xiàn)在不光高級(jí)的PCB設(shè)計(jì)軟件需要設(shè)置布線規(guī)則，一些簡(jiǎn)單易用的PCB工具同樣可以進(jìn)行規(guī)則設(shè)置。人腦畢竟不是機(jī)器，那就難免會(huì)有疏忽有失誤。所以把一些容易忽略的問(wèn)題設(shè)置到規(guī)則里面，讓電腦幫助我們檢查，盡量避免犯一些低級(jí)錯(cuò)誤。另外，完善的規(guī)則設(shè)置能更好的規(guī)范后面的工作。所謂磨刀不誤砍柴工，板子的規(guī)模越復(fù)雜規(guī)則設(shè)置的重要性越突出?，F(xiàn)在很多EDA工具都有自動(dòng)布線功能，如果規(guī)則設(shè)置足夠詳細(xì)，讓工具自己幫你去設(shè)計(jì)，你在一旁喝杯咖啡，不是更愜意的事情嗎?(三) 為別人考慮的越多，自己的工作越少在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，盡量多考慮一些最終使用者的需求。比如，如果設(shè)計(jì)的是一塊開(kāi)發(fā)板，那么在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮放置更多的絲印信息，這樣在使用的時(shí)候會(huì)更方便，不用來(lái)回的查找原理圖或者找設(shè)計(jì)人員支持了。如果設(shè)計(jì)的是一個(gè)量產(chǎn)產(chǎn)品，那么就要更多的考慮到生產(chǎn)線上會(huì)遇到的問(wèn)題，同類型的器件盡量方向一致，器件間距是否合適，板子的工藝邊寬度等等。這些問(wèn)題考慮的越早，越不會(huì)影響后面的設(shè)計(jì)，也可以減少后面支持的工作量和改板的次數(shù)?？瓷先ラ_(kāi)始設(shè)計(jì)上用的時(shí)間增加了，實(shí)際上是減少了自己后續(xù)的工作量。在板子空間信號(hào)允許的情況下，盡量放置更多的測(cè)試點(diǎn)，提高板子的可測(cè)性，這樣在后續(xù)調(diào)試階段同樣能節(jié)省更多的時(shí)間，給發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提供更多的思路。(四) 畫(huà)好原理圖很多工程師都覺(jué)得layout工作更重要一些，原理圖就是為了生成網(wǎng)表方便PCB做檢查用的。其實(shí)，在后續(xù)電路調(diào)試過(guò)程中原理圖的作用會(huì)更大一些。無(wú)論是查找問(wèn)題還是和同事交流，還是原理圖更直觀更方便。另外養(yǎng)成在原理圖中做標(biāo)注的習(xí)慣，把各部分電路在layout的時(shí)候要注意到的問(wèn)題標(biāo)注在原理圖上，對(duì)自己或者對(duì)別人都是一個(gè)很好的提醒。層次化原理圖，把不同功能不同模塊的電路分成不同的頁(yè)，這樣無(wú)論是讀圖還是以后重復(fù)使用都能明顯的減少工作量。使用成熟的設(shè)計(jì)總是要比設(shè)計(jì)新電路的風(fēng)險(xiǎn)小。每次看到把所有電路都放在一張圖紙上，一片密密麻麻的器件，腦袋就能大一圈。

一個(gè)高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見(jiàn)，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個(gè)人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的多年經(jīng)驗(yàn)，所總結(jié)出來(lái)的層疊設(shè)計(jì)參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計(jì)基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對(duì)本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報(bào)告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號(hào)線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號(hào)層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號(hào)層的相對(duì)排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號(hào)層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;

解決EMI問(wèn)題的辦法很多，現(xiàn)代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計(jì)等。本文從最基本的PCB布板出發(fā)，討論P(yáng)CB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來(lái)得更快。然而，問(wèn)題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問(wèn)題?就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EMI。當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來(lái)越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤(pán)上，這要另外討論。為了控制共模EMI，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。有人可能會(huì)問(wèn)，好到什么程度才算好?問(wèn)題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。