Protel 99 SE高频PCB设计的研究

　

概要：的整体布局、布线的可通性和PCB的可制造性、机械结构、散热、EMI(电磁干扰) 、可靠性、信号的完整性等方面综合考虑。一般先放置与机械尺寸有关的固定位置的元器件,再放置特殊的和较大的元器件,最后放置小元器件。同时,要兼顾布线方面的要求,高频元器件的放置要尽量紧凑,信号线的布线才能尽可能短,从而降低信号线的交叉干扰等。1.1与机械尺寸有关的定位插件的放置电源插座、开关、PCB之间的接口、指示灯等都是与机械尺寸有关的定位插件。通常,电源与PCB之间的接口放到PCB的边缘处,并与PCB 边缘要有3 mm～5 mm的间距;指示发光二极管应根据需要准确地放置;开关和一些微调元器件,如可调电感、可调电阻等应放置在靠近PCB 边缘的位置,以便于调整和连接;需要经常更换的元器件必须放置在器件比较少的位置,以易于更换。1.2特殊元器件的放置大功率管、变压器、整流管等发热器件,在高频状态下工作时产生的热量较多,所以在布局时应充分考虑通风和散热,将这类元器件放置在PCB上空气容易流通的地方。大功率整流管和调整管等应装有散热器,并要远离变压器。电解电容器之类怕热的元件也应远离发热器件,否则电解液会被烤干,造成其电阻增大,性能变差,影响电路的稳定性。易发生故障的元器件,如调整管、电解电容器、继电器等,在放置时

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　　随着电子技术的进步, PCB (印制电路板)的复杂程度、适用范围有了飞速的发展。从事高频PCB的设计者必须具有相应的基础理论知识,同时还应具有丰富的高频PCB的制作经验。也就是说,无论是原理图的绘制,还是PCB 的设计,都应当从其所在的高频工作环境去考虑,才能够设计出较为理想的PCB。本文主要从高频PCB 的手动布局、布线两个方面,基于Protel 99 SE对在高频PCB 设计中的一些问题进行研究。

　　1　布局的设计

　　Protel 99 SE虽然具有自动布局的功能,但并不能完全满足高频电路的工作需要,往往要凭借设计者的经验,根据具体情况,先采用手工布局的方法优化调整部分元器件的位置,再结合自动布局完成PCB的整体设计。布局的合理与否直接影响到产品的寿命、稳定性、EMC (电磁兼容)等,必须从电路板的整体布局、布线的可通性和PCB的可制造性、机械结构、散热、EMI(电磁干扰) 、可靠性、信号的完整性等方面综合考虑。

　　一般先放置与机械尺寸有关的固定位置的元器件,再放置特殊的和较大的元器件,最后放置小元器件。同时,要兼顾布线方面的要求,高频元器件的放置要尽量紧凑,信号线的布线才能尽可能短,从而降低信号线的交叉干扰等。

　　1.1　与机械尺寸有关的定位插件的放置

　　电源插座、开关、PCB之间的接口、指示灯等都是与机械尺寸有关的定位插件。通常,电源与PCB之间的接口放到PCB的边缘处,并与PCB 边缘要有3 mm～5 mm的间距;指示发光二极管应根据需要准确地放置;开关和一些微调元器件,如可调电感、可调电阻等应放置在靠近PCB 边缘的位置,以便于调整和连接;需要经常更换的元器件必须放置在器件比较少的位置,以易于更换。

　　1.2　特殊元器件的放置

　　大功率管、变压器、整流管等发热器件,在高频状态下工作时产生的热量较多,所以在布局时应充分考虑通风和散热,将这类元器件放置在PCB上空气容易流通的地方。大功率整流管和调整管等应装有散热器,并要远离变压器。电解电容器之类怕热的元件也应远离发热器件,否则电解液会被烤干,造成其电阻增大,性能变差,影响电路的稳定性。

　　易发生故障的元器件,如调整管、电解电容器、继电器等,在放置时还要考虑到维修方便。对经常需要测量的测试点,在布置元器件时应注意保证测试棒能够方便地接触。

　　由于电源设备内部会产生50 Hz泄漏磁场,当它与低频放大器的某些部分交连时,会对低频放大器产生干扰。因此,必须将它们隔离开或者进行屏蔽处理。放大器各级最好能按原理图排成直线形式,如此排法的优点是各级的接地电流就在本级闭合流动,不影响其他电路的工作。输入级与输出级应当尽可能地远离,减小它们之间的寄生耦合干扰。

　　考虑各个单元功能电路之间的信号传递关系,还应将低频电路和高频电路分开,模拟电路和数字电路分开。集成电路应放置在PCB的中央,这样方便各引脚与其他器件的布线连接。

　　电感器、变压器等器件具有磁耦合,彼此之间应采用正交放置,以减小磁耦合。另外,它们都有较强的磁场,在其周围应有适当大的空间或进行磁屏蔽,以减小对其他电路的影响。

　　在PCB的关键部位要配置适当的高频退耦电容,如在PCB电源的输入端应接一个10μF～100 μF的电解电容,在集成电路的电源引脚附近都应接一个0.01 pF左右的瓷片电容。有些电路还要配置适当的高频或低频扼流圈,以减小高低频电路之间的影响。这一点在原理图设计和绘制时就应给予考虑,否则也将会影响电路的工作性能。

　　元器件排列时的间距要适当,其间距应考虑到它们之间有无可能被击穿或打火。

　　含推挽电路、桥式电路的放大器,布置时应注意元器件电参数的对称性和结构的对称性,使对称元器件的分布参数尽可能一致。

　　在对主要元器件完成手动布局后,应采用元器件锁定的方法,使这些元器件不会在自动布局时移动。即执行Edit change命令或在元器件的Properties选中Locked就可以将其锁定不再移动。

　　1.3　普通元器件的放置

　　对于普通的元器件,如电阻、电容等,应从元器件的排列整齐、占用空间大小、布线的可通性和焊接的方便性等几个方面考虑,可采用自动布局的方式。

　　2　布线的设计

　　布线是在合理布局的基础上实现高频PCB 设计的总体要求。布线包括自动布线和手动布线两种方式。通常,无论关键信号线的数量有多少,首先对这些信号线进行手动布线,布线完成后对这些信号线布线进行仔细检查,检查通过后将其固定,再对其他布线进行自动布线。即采用手动和自动布线相结合来完成PCB的布线。

　　在高频PCB的布线过程中应特别注意以下几个方面问题。

　　2.1　布线的走向

　　电路的布线最好按照信号的流向采用全直线,需要转折时可用45°折线或圆弧曲线来完成,这样可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。高频信号线的布线应尽可能短。要根据电路的工作频率,合理地选择信号线布线的长度,这样可以减少分布参数,降低信号的损耗。制作双面板时,在相邻的两个层面上布线最好相互垂直、斜交或弯曲相交。避免相互平行,这样可以减少相互干扰和寄生耦合。

　　高频信号线与低频信号线要尽可能分开,必要时采取屏蔽措施,防止相互间干扰。对于接收比较弱的信号输入端,容易受到外界信号的干扰,可以利用地线做屏蔽将其包围起来或做好高频接插件的屏蔽。同一层面上应该避免平行走线,否则会引入分布参数,对电路产生影响。若无法避免时可在两平行线之间引入一条接地的铜箔,构成隔离线。

　　在数字电路中,对于差分信号线,应成对地走线,尽量使它们平行、靠近一些,并且长短相差不大。

　　2.2　布线的形式

　　在PCB的布线过程中,走线的最小宽度由导线与绝缘层基板之间的粘附强度以及流过导线的电流强度所决定。当铜箔的厚度为0.05mm、宽度为1mm ～1.5 mm时,可以通过2A电流。温度不会高于3 ℃,除一些比较特殊的走线外,同一层面上的其他布线宽度应尽可能一致。在高频电路中布线的间距将影响分布电容和电感的大小,从而影响信号的损耗、电路的稳定性以及引起信号的干扰等。在高速开关电路中,导线的间距将影响信号的传输时间及波形的质量。因此,布线的最小间距应大于或等于0.5 mm,只要允许,PCB布线最好采用比较宽的线。

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