Protel 99 SE高頻PCB設計的研究

    隨著電子技術的進步, PCB (印製電路板)的複雜程度、適用範圍有了飛速的發展。從事高頻PCB的設計者必須具有相應的基礎理論知識,同時還應具有豐富的高頻PCB的製作經驗。也就是說,無論是原理圖的繪製,還是PCB 的設計,都應當從其所在的高頻工作環境去考慮,才能夠設計出較為理想的PCB。本文主要從高頻PCB 的手動布局、布線兩個方面,基於Protel 99 SE對在高頻PCB 設計中的一些問題進行研究。

1　布局的設計
    Protel 99 SE雖然具有自動布局的功能,但並不能完全滿足高頻電路的工作需要,往往要憑藉設計者的經驗,根據具體情況,先採用手工布局的方法優化調整部分元器件的位置,再結合自動布局完成PCB的整體設計。布局的合理與否直接影響到產品的壽命、穩定性、EMC (電磁兼容)等,必須從電路板的整體布局、布線的可通性和PCB的可製造性、機械結構、散熱、EMI(電磁干擾) 、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮。
    一般先放置與機械尺寸有關的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最後放置小元器件。同時,要兼顧布線方面的要求,高頻元器件的放置要盡量緊湊,信號線的布線才能儘可能短,從而降低信號線的交叉干擾等。
1.1　與機械尺寸有關的定位插件的放置
    電源插座、開關、PCB之間的介面、指示燈等都是與機械尺寸有關的定位插件。通常,電源與PCB之間的介面放到PCB的邊緣處,並與PCB 邊緣要有3 mm～5 mm的間距;指示發光二極體應根據需要準確地放置;開關和一些微調元器件,如可調電感、可調電阻等應放置在靠近PCB 邊緣的位置,以便於調整和連接;需要經常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置,以易於更換。

1.2　特殊元器件的放置
    大功率管、變壓器、整流管等發熱器件,在高頻狀態下工作時產生的熱量較多,所以在布局時應充分考慮通風和散熱,將這類元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調整管等應裝有散熱器,並要遠離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應遠離發熱器件,否則電解液會被烤乾,造成其電阻增大,性能變差,影響電路的穩定性。
    易發生故障的元器件,如調整管、電解電容器、繼電器等,在放置時還要考慮到維修方便。對經常需要測量的測試點,在布置元器件時應注意保證測試棒能夠方便地接觸。
    由於電源設備內部會產生50 Hz泄漏磁場,當它與低頻放大器的某些部分交連時,會對低頻放大器產生干擾。因此,必須將它們隔離開或者進行屏蔽處理。放大器各級最好能按原理圖排成直線形式,如此排法的優點是各級的接地電流就在本級閉合流動,不影響其他電路的工作。輸入級與輸出級應當儘可能地遠離,減小它們之間的寄生耦合干擾。
    考慮各個單元功能電路之間的信號傳遞關係,還應將低頻電路和高頻電路分開,模擬電路和數字電路分開。集成電路應放置在PCB的中央,這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。
    電感器、變壓器等器件具有磁耦合,彼此之間應採用正交放置,以減小磁耦合。另外,它們都有較強的磁場,在其周圍應有適當大的空間或進行磁屏蔽,以減小對其他電路的影響。
　在PCB的關鍵部位要配置適當的高頻退耦電容,如在PCB電源的輸入端應接一個10μF～100 μF的電解電容,在集成電路的電源引腳附近都應接一個0.01 pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當的高頻或低頻扼流圈,以減小高低頻電路之間的影響。這一點在原理圖設計和繪製時就應給予考慮,否則也將會影響電路的工作性能。
    元器件排列時的間距要適當,其間距應考慮到它們之間有無可能被擊穿或打火。
    含推挽電路、橋式電路的放大器,布置時應注意元器件電參數的對稱性和結構的對稱性,使對稱元器件的分佈參數儘可能一致。
    在對主要元器件完成手動布局后,應採用元器件鎖定的方法,使這些元器件不會在自動布局時移動。即執行Edit change命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動。

1.3　普通元器件的放置
    對於普通的元器件,如電阻、電容等,應從元器件的排列整齊、佔用空間大小、布線的可通性和焊接的方便性等幾個方面考慮,可採用自動布局的方式。

2　布線的設計
    布線是在合理布局的基礎上實現高頻PCB 設計的總體要求。布線包括自動布線和手動布線兩種方式。通常,無論關鍵信號線的數量有多少,首先對這些信號線進行手動布線,布線完成後對這些信號線布線進行仔細檢查,檢查通過後將其固定,再對其他布線進行自動布線。即採用手動和自動布線相結合來完成PCB的布線。
    在高頻PCB的布線過程中應特別注意以下幾個方面問題。
2.1　布線的走向
    電路的布線最好按照信號的流向採用全直線,需要轉折時可用45°折線或圓弧曲線來完成,這樣可以減少高頻信號對外的發射和相互間的耦合。高頻信號線的布線應儘可能短。要根據電路的工作頻率,合理地選擇信號線布線的長度,這樣可以減少分佈參數,降低信號的損耗。製作雙面板時,在相鄰的兩個層面上布線最好相互垂直、斜交或彎曲相交。避免相互平行,這樣可以減少相互干擾和寄生耦合。
    高頻信號線與低頻信號線要儘可能分開,必要時採取屏蔽措施,防止相互間干擾。對於接收比較弱的信號輸入端,容易受到外界信號的干擾,可以利用地線做屏蔽將其包圍起來或做好高頻接插件的屏蔽。同一層面上應該避免平行走線,否則會引入分佈參數,對電路產生影響。若無法避免時可在兩平行線之間引入一條接地的銅箔,構成隔離線。
    在數字電路中,對於差分信號線,應成對地走線,盡量使它們平行、靠近一些,並且長短相差不大。

2.2　布線的形式
    在PCB的布線過程中,走線的最小寬度由導線與絕緣層基板之間的粘附強度以及流過導線的電流強度所決定。當銅箔的厚度為0.05mm、寬度為1mm ～1.5 mm時,可以通過2A電流。溫度不會高於3 ℃,除一些比較特殊的走線外,同一層面上的其他布線寬度應儘可能一致。在高頻電路中布線的間距將影響分佈電容和電感的大小,從而影響信號的損耗、電路的穩定性以及引起信號的干擾等。在高速開關電路中,導線的間距將影響信號的傳輸時間及波形的質量。因此,布線的最小間距應大於或等於0.5 mm,只要允許,PCB布線最好採用比較寬的線。
    印製導線與PCB的邊緣應留有一定的距離(不小於板厚) ,這樣不僅便於安裝和進行機械加工,而且還提高了絕緣性能。
    布線中遇到只有繞大圈才能連接的線路時,要利用飛線,即直接用短線連接來減少長距離走線帶來的干擾。
    含有磁敏元件的電路其對周圍磁場比較敏感,而高頻電路工作時布線的拐彎處容易輻射電磁波,如果PCB中放置了磁敏元件,則應保證布線拐角與其有一定的距離。
    同一層面上的布線不允許有交叉。對於可能交叉的線條,可用“鑽”與“繞”的辦法解決,即讓某引線從其他的電阻、電容、三極體等器件引腳下的空隙處“鑽”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去。在特殊情況下,如果電路很複雜,為了簡化設計,也允許用導線跨接解決交叉問題。
    當高頻電路工作頻率較高時,還需要考慮布線的阻抗匹配及天線效應問題。

2.3　電源線與地線的布線要求
    根據不同工作電流的大小,盡量加大電源線的寬度。高頻PCB應盡量採用大面積地線並布局在PCB的邊緣,可以減少外界信號對電路的干擾;同時,可以使PCB的接地線與殼體很好地接觸,使PCB的接地電壓更加接近於大地電壓。應根據具體情況選擇接地方式,與低頻電路有所不同,高頻電路的接地線應該採用就近接地或多點接地的方式,接地線短而粗,以盡量減少地阻抗,其允許電流要求能夠達到3倍於工作電流的標準。揚聲器的接地線應接在PCB 功放輸出級的接地點,切勿任意接地。
     在布線過程中還應該及時地將一些合理的布線鎖定,以免多次重複布線。即執行EditselectNet命令在預布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動。

3　焊盤及敷銅的設計
3.1　焊盤與孔徑
    在保證布線最小間距不違反設計的電氣間距的情況下,焊盤的設計應較大,以保證足夠的環寬。一般焊盤的內孔要比元器件的引線直徑稍微大一點,設計過大,容易在焊接中形成虛焊。焊盤外徑D 一般不小於(d+1.2)mm,其中d為焊盤內孔徑,對於一些密度比較大的PCB ,焊盤的最小值可以取(d+1.0) mm。焊盤的形狀通常設置為圓形,但是對於DIP封裝的集成電路的焊盤最好採用跑道形,這樣可以在有限的空間內增大焊盤的面積,有利於集成電路的焊接。布線與焊盤的連接應平滑過渡,即當布線進入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時,應採用補淚滴設計。
    需要注意的是,焊盤內孔徑d的大小是不同的,應當根據實際元器件引線直徑的大小加以考慮,如元件孔、安裝孔和槽孔等。而焊盤的孔距也要根據實際元器件的安裝方式進行考慮,如電阻、二極體、管狀電容器等元件有“立式”、“卧式”兩種安裝方式,這兩種方式的孔距是不同的。此外,焊盤孔距的設計還要考慮元器件之間的最小間隙要求,特別是特殊元器件之間的間隙需要由焊盤間的孔距來保證。
    在高頻PCB中,還要盡量減少過孔的數量,這樣既可減少分佈電容,又能增加PCB的機械強度。總之,在高頻PCB的設計中,焊盤及其形狀、孔徑與孔距的設計既要考慮其特殊性,又要滿足生產工藝的要求。採用規範化的設計,既可降低產品成本,又可在保證產品質量的同時提高生產的效率。

3.2　敷銅
    敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力,同時對於PCB散熱和PCB的強度有很大好處,敷銅接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面積條狀銅箔,因為在PCB的使用中時間太長時會產生較大熱量,此時條狀銅箔容易發生膨脹和脫落現象,因此,在敷銅時最好採用柵格狀銅箔,並將此柵格與電路的接地網路連通,這樣柵格將會有較好的屏蔽效果,柵格網的尺寸由所要重點屏蔽的干擾頻率而定。
    在完成布線、焊盤和過孔的設計后,應執行DRC(設計規則檢查) 。在檢查結果中詳細列出了所設計的圖與所定義的規則之間的差異,可查出不符合要求的網路。但是,首先應在布線前對DRC進行參數設定才可運行DRC,即執行ToolsDesign Rule Check命令。

4　結束語
    高頻電路PCB的設計是一個複雜的過程,涉及的因素很多,都可能直接關係到高頻電路的工作性能。因此,設計者需要在實際的工作中不斷研究和探索,不斷積累經驗,並結合新的EDA (電子設計自動化)技術才能設計出性能優良的高頻電路PCB。