【經(jīng)驗(yàn)分享】如何解決高頻高速PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的這些問(wèn)題

當(dāng)前，高頻、高速PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了主流，每個(gè)PCB Layout工程師都應(yīng)該熟練掌握。接下來(lái)，和大家分享硬件大牛們?cè)诟哳l高速PCB電路中的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)大家有所幫助。

避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾，也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)。可用拉大高速信號(hào)和模擬信號(hào)之間的距離，或加ground guard/shunt traces在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。

在設(shè)計(jì)高速PCB電路時(shí)，阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系，例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離、走線寬度、PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值。也就是說(shuō)要在布線后才能確定阻抗值。

一般仿真軟件會(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無(wú)法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來(lái)緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問(wèn)題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。

一般EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個(gè)方面。前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分。

另外，注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance盡量小)以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。

最后，適當(dāng)?shù)倪x擇PCB與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。

選擇PCB板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時(shí)這材質(zhì)問(wèn)題會(huì)比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個(gè)GHz的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會(huì)對(duì)信號(hào)衰減有很大的影響，可能就不合用。就電氣而言，要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。

PCB板上會(huì)因EMC而增加的成本通常是因增加地層數(shù)目以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)及增加了ferrite bead、choke等抑制高頻諧波器件的緣故。除此之外，通常還是需搭配其它機(jī)構(gòu)上的屏蔽結(jié)構(gòu)才能使整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)EMC的要求。以下僅就PCB板的設(shè)計(jì)技巧提供幾個(gè)降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。

• 盡可能選用信號(hào)斜率(slew rate)較慢的器件，以降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分。

• 注意高頻器件擺放的位置，不要太靠近對(duì)外的連接器。

• 注意高速信號(hào)的阻抗匹配，走線層及其回流電流路徑(return current path)，以減少高頻的反射與輻射。

• 在各器件的電源管腳放置足夠與適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀跃徍碗娫磳雍偷貙由系脑肼?。特別注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性是否符合設(shè)計(jì)所需。

• 對(duì)外的連接器附近的地可與地層做適當(dāng)分割，并將連接器的地就近接到chassis ground。

• 可適當(dāng)運(yùn)用ground guard/shunt traces在一些特別高速的信號(hào)旁。但要注意guard/shunt traces對(duì)走線特性阻抗的影響。

• 電源層比地層內(nèi)縮20H，H為電源層與地層之間的距離。

2G以上高頻PCB屬于射頻電路設(shè)計(jì)，不在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。而射頻電路的布局（layout)和布線（routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的，因?yàn)椴季植季€都會(huì)造成分布效應(yīng)。而且，射頻電路設(shè)計(jì)一些無(wú)源器件是通過(guò)參數(shù)化定義，特殊形狀銅箔實(shí)現(xiàn)，因此要求EDA工具能夠提供參數(shù)化器件，能夠編輯特殊形狀銅箔。Mentor公司的boardstation中有專門的RF設(shè)計(jì)模塊，能夠滿足這些要求。而且，一般射頻設(shè)計(jì)要求有專門射頻電路分析工具，業(yè)界最著名的是agilent的eesoft，和Mentor的工具有很好的接口。

會(huì)不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量要看加測(cè)試點(diǎn)的方式和信號(hào)到底多快而定。基本上外加的測(cè)試點(diǎn)(不用在線既有的穿孔(via or DIP pin)當(dāng)測(cè)試點(diǎn))可能加在在線或是從在線拉一小段線出來(lái)。前者相當(dāng)于是加上一個(gè)很小的電容在在線，后者則是多了一段分支。這兩個(gè)情況都會(huì)對(duì)高速信號(hào)多多少少會(huì)有點(diǎn)影響，影響的程度就跟信號(hào)的頻率速度和信號(hào)緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過(guò)仿真得知。原則上測(cè)試點(diǎn)越小越好(當(dāng)然還要滿足測(cè)試機(jī)具的要求)分支越短越好。