微波技術 - 高頻和高密度PCB佈局設計考慮因素

現時的器件正朝著高速、低功耗、小尺寸和高抗干擾的方向發展。 PCB設計是電子產品設計的重要階段。 它可以實現電子元件之間的連接和功能，也是電源電路設計的重要組成部分。 高頻電路具有更高的集成度和更高的佈局密度，囙此如何使高速高密度主機板的佈局更加合理和科學非常重要。

高速PCB佈局設計注意事項

在設計電力原理圖時，應根據結構要求和功能劃分使用多個功能模組板，並確定每個功能板PCB的物理尺寸和安裝方法。 還應考慮調試和維護的便利性、遮罩、散熱和EMI效能。

在規劃佈局時，您需要確定佈局方案，如關鍵電路、訊號線、佈線方法的細節以及要遵循的佈線原則。 通過對PCB設計過程中幾個步驟的檢查、分析和修改。 在整個佈局過程完成後，在進一步設計之前檢查綜合規則是沒有問題的。

關於多層PCB佈局設計：

高頻電路通常高度集成，並具有高密度佈線設計。 囙此，使用多層板主要是减少干擾的必要和有效手段。 在PCB佈局階段，有必要合理規劃電路板的尺寸和層數，以便充分利用中間層進行設計，這不僅可以進行接地處理，有效降低寄生電感，縮短訊號傳輸長度，還可以大大减少訊號等因素。 交叉干擾等優點，上述方法有利於高頻電路的可靠性設計。 即使使用相同的片材，四層板的雜訊也比雙面板低20dB。 然而，也存在一個問題，即PCB層數越多，制造技術越複雜，成本越高。 這就要求在PCB佈局中，除了選擇合適的PCB層數外，還應進行合理的元件佈局。 計畫並使用適當的佈線規則來完成設計。

圍繞多層PCB佈局的設計，闡述以下八點：

多層PCB佈局設計

1.高頻電路層之間引脚的交叉引線越少越好。

這意味著連接中使用的Via越少越好。 原因是Via可以帶來0.5pF的分佈電容，减少Via的數量可以提高響應速度，降低數據錯誤的可能性。

2.高頻電路引脚之間的引線越短越好。

訊號的輻射强度與訊號線的佈線長度成正比。 高頻訊號接線越長，就越容易連接到其設備。 囙此，對於訊號時鐘、晶體振盪器、DDR數據、LVDS、USB和HDMI等高頻訊號線，佈線長度越短越好，如果有空間，則需要封裝。

3.在高頻電子設備中，引脚之間的佈線彎曲越小越好。

高頻引線最好使用直線。 如果需要彎曲，可以使用45度佈線或弧形佈線。 這一要求僅用於提高低頻電路中銅箔的結合强度，在高頻電路中，滿足這一要求可以减少高頻訊號之間的反射和耦合干擾。

4.注意平行佈線和近距離訊號線引入的“串擾”。

對於高頻電路佈線，應注意近距離平行訊號線引入的“串擾”。 串擾是指不直接連接的訊號線之間的耦合現象。 由於高頻訊號以電磁波的形式沿傳輸線傳輸，訊號線將充當天線，電磁場的能量將在傳輸線周圍發射。 由於電磁場的耦合，訊號之間不需要的雜訊訊號稱為串擾。 PCB層的參數、訊號線的間距、發射和接收端子的電力特性以及訊號線的連接管道都對串擾有一定的影響。 因此

（1）如果兩根電線之間存在嚴重的串擾，如果佈線空間允許，可以在兩根電線之間插入接地線或接地平面，這可以起到隔離和减少串擾的作用。

（2）當訊號線周圍的空間本身具有可變電磁場時，如果無法避免平行分佈，可以在平行訊號線的另一側設定大面積的“地線”，這可以大大减少干擾。

（3）在佈線空間足够的前提下，可以新增相鄰訊號線之間的空間，减少訊號線的平行長度。 時鐘線應垂直於按鍵訊號線，而不是平行。

（4）如果同一層中的平行線幾乎不可避免，那麼它們在相鄰層中必須相互垂直。

（5）在數位電路中，通常的時鐘訊號是一種快速的邊沿變化訊號，外部串擾非常大。囙此，在設計中，建議將時鐘線接地，並為地線留出更多空間，以减少分佈電容，從而减少串擾。

（6）高頻訊號時鐘應盡可能使用低壓差分時鐘訊號，並注意穿孔的完整性。

（7）不要懸空空脚，而是接地或連接電源，因為懸空線可能相當於發射天線，接地會抑制發射等。

5.高頻數位信號地線和類比信號地線應隔離。

當將類比地線、數位地線等連接到公共地線時，使用高頻扼流磁珠連接或直接隔離，並選擇合適的單點連接。 接地線的接地電位的高頻數位信號不一致，兩者之間存在直流電壓差，高頻數位信號接地線往往包含很多。 當直接連接到數位信號時，高頻訊號接地諧波分量訊號和類比信號接地。 高頻訊號諧波將通過接地與類比信號的干擾耦合。 囙此，在正常情况下，高頻數位信號的地線和類比信號的地線應隔離，以避免數位地線和類比地線之間的串擾。

6.新增IC模組電源引脚的高頻去耦電容。

在每個IC模塊的電源引脚附近添加高頻去耦電容器。 新增IC模組電源引脚的高頻去耦電容，可以有效抑制高頻諧波對電源引脚的干擾。

7.接線時避免回路。

接線時，各種高頻訊號不應形成回路。 如果不可避免，回路面積應盡可能小。

8.關鍵訊號必須保證阻抗匹配要求。

在傳輸過程中，當阻抗不匹配時，訊號將在傳輸通道中反射，這將導致合成訊號過沖，導致訊號在邏輯閾值附近波動。 消除反射的基本方法是很好地匹配傳輸訊號的阻抗。 由於負載阻抗和傳輸線的特性阻抗之間的差異較大，反射也較大，囙此訊號傳輸線的特徵阻抗應盡可能等於負載和阻抗。 同時需要注意的是，PCB上的傳輸線不能突然改變或轉彎，並保持傳輸線各點之間的阻抗盡可能連續，否則傳輸線的每一段之間都會有反射。 在進行高速PCB佈線時，需要遵循以下佈線規則：

（1）LVDS佈線規則。 LVDS訊號需要差分路由，線寬為7密耳，線間距為6密耳。

（2）USB接線規則。 差分佈線需要USB訊號，線寬為10ml，線間距為6mil，地線和訊號線間距為4mil；

（3）HDMI佈線規則。 需要HDMI訊號差分佈線，線寬為10ml，線間距為6mil，兩組HDM1差分訊號之間的間距超過20mil。

（4）DDR接線規則。 DDR佈線要求盡可能不穿孔訊號。 訊號線具有相同的寬度，並且線間隔相等。 佈線必須符合3W原則，以减少訊號之間的串擾。

减少訊號之間的串擾

除了上述設計方法外，高頻訊號在路由時容易受到較大的電磁輻射。 工程師在佈線PCB時應儘量避免高速訊號分支或樹樁佈線。 如果高頻訊號線連接在電源和地之間，則電源和底層吸收的電磁波產生的輻射將大大减少。 簡而言之，高頻電路通常具有高度的集成度和高佈線密度。 使用多層板是减少干擾的必要和有效手段。 在PCB佈局階段，應合理選擇某一層印刷電路板的尺寸，並充分利用中間層設定遮罩，更好地實現接近接地平面。