关于高频电路PCB设计，你了解多少？

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元器件正朝着高速低耗小体积高抗干扰性的方向发展，这一发展趋势对印刷电路板的设计提出了很多新要求。

PCB设计是电子产品设计的重要阶段，当电原理图已经设计好后，根据结构要求，按照功能划分确定采用几块功能板，并确定每块功能板PCB外型尺寸、安装方式，还必须同时考虑调试、维修的方便性，以及屏蔽、散热、EMI性能等因素。

需要工程人员确定布局布线方案，确定关键电路和信号线和布线方法细节，以及应该遵从的布线原则。

PCB设计过程的几个阶段都必须进行检查、分析和修改。整个布线完成后，再经过全面规则检查，才能拿去加工。

一、引言

长期以来，设计人员往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上，却极少将精力花在对PCB设计的审核方面，而往往正是由于PCB设计缺陷，导致大量的产品性能问题。

PCB设计原则涉及到许多方方面面，包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护，等等。对于这些方面，特别在高频电路（尤其在微波级高频电路）方面，相关理念的缺乏，往往导致整个研发项目的失败。

许多人还停留在“将电原理用导体连接起来发挥预定作用”基础上，甚至认为“PCB设计属于结构、工艺和提高生产效率等方面的考虑范畴”。

许多工程师也没有充分认识到该环节在产品设计中，应是整个设计工作的特别重点，而错误地将精力花费在选择高性能的元器件，结果是成本大幅上升，性能的提高却微乎其微。

二、高速PCB设计

在产品工程中，PCB的设计占据非常重要的位置，尤其在高频电设计中。

有一些普遍的规则，这些规则将作为普遍指导方针来对待。将高频电路之PCB的设计原则与技巧应用于设计之中，则可以大幅提高设计成功率。

（一）高速电路PCB的布线设计原则

1．使逻辑扇出最小化，最好只带一个负载。

2．在高速信号线的输出与接收端之间尽可能避免使用通孔，避免引脚图形的十字交叉。尤其是时钟信号线，需要特别注意。

3．上下相邻两层信号线应该互相垂直，避免拐直角弯。

4．并联端接负载电阻应尽可能靠近接收端。

5．为保证最小反射，所有的开路线（或没有端接匹配的线）长度必须满足下式：

Lopen——开长路线度(inches)

trise——信号上升时间（ns）

tpd——线的传播延迟（0.188ns/in——按带线特性）。

几种高速逻辑电路上升时间典型值：

6．当开路线长度超过上式要求的值时,应使用串联阻尼电阻器，串联端接电阻应该尽可能地接到输出端的引脚上。

7．保证模拟电路和数字电路分开，AGND和DGND必须通过一个电感或磁珠连接在一起，并尽可能在接近A/D转换器的位置。

8．保证电源的充分去耦。

9．最好使用表面安装电阻和电容。

（二）旁路和去耦

1．选择去耦电容之前，先计算滤除高频电流所需的谐振频率要求。

2．大于自谐频率，电容器将变成电感性，从而失去去耦电容作用。应该注意，有些逻辑电路具有比常用去耦电容自身谐振频率更高的频谱能量。

3．容器器自身具有的谐振频率，称之为自谐频率。如果希望滤除的高频

4．要根据电路所含的RF能量、开关电路的上升时间，以及特别关注的频率范围计算所需的电容值，不要用猜测或是根据以前的一贯用法使用。

5．计算地和电源平面的谐振频率。以此二平面构筑的去耦电容能够取得最大效益。

6．对高速元件及蕴涵丰富RF带宽能量的区域，应该使用多种电容并联，以去除大频宽的RF能量。也要注意：当在高频，大电容变为电感性时，小电容还保持电容性，于某一特殊频率将会组成LC谐振电路，造成无限大阻抗，因而完全失去旁路作用，若有此情况发生，使用单一电容会更为有效。

7．在电路板所有电源输入连接器边，及上升时间快于3ns之元件的电源脚，设置并联电容。

8．在PCB电源输入端及扳子的对角方向处，应该使用足够大容量的电容器，保证电路切换状态时产生的电流变化。对其他电路的去耦电容也应有同样考虑，工作电流越大，所需的电容量就越大。以减小电压和电流的脉动，提高系统的稳定性。因此，去耦电容肩负去耦和续流的双重作用。

9．如果使用了太多的去耦电容，当开机时会从电源吸收大量电流，因此，在电源输出端应该放一群大电容来提供大电流量。

（三）阻抗变换与匹配

1．在低频电路中，匹配的概念是相当重要的（使负载阻抗与激励源内阻共轭相等）。在高频电路中，信号线终端的匹配更为重要：

一方面要求ZL=Zc，保证沿线无驻波；另一方面，为获得最大功率，要求信号线输入端与激励源相接时应共轭匹配。因此，匹配对微波电路的工作性能产生直接影响。可见：

若终端不匹配，信号线上会产生反射和驻波，导致负载功率下降（高功率驻波还会在波腹点产生打火现象）。

由于反射波的存在，将对激励源产生不良影响，导致工作频率和输出功率稳定性下降。

然而，实际中给定的负载阻抗与信号线特性阻抗不一定相同，信号线与激励源阻抗也不一定共轭，因而必须了解及应用阻抗匹配技术。

2．λ/4阻抗变换器

当信号线长L=λ/4，即βL=π/2时，可得

Zin=Zc2/ZL

上式表明，经λ/4PCB传输线变换后，其阻抗将发生显著变化。可以知道：当ZL不匹配时，可利用对PCB传输线的再构造来达到匹配目的。对于两段特性阻抗分别为Z'c、Z"c的PCB传输线，可通过的PCB传输线连接以达到使Z'c与Z"c匹配的目的。

需注意的是：λ/4阻抗变换器匹配两段阻抗不同的PCB传输线后的工作频率很窄。

3．单分支短路线匹配

可采用在PCB传输线适当位置并接经过适当构造之短路线的形式改变PCB传输线阻抗而达到匹配目的。

（四）PCB分层

高频电路往往集成度较高，布线密度大。

采用多层板，既是布线所必须的也是降低干扰的有效手段，合理选择层数能大幅度降低印板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，能更好地实现就近接地，能有效地降低寄生电感，能有效缩短信号的传输长度，能大幅度地降低信号间的交叉干扰等等……

所有这些都对高频电路的可靠工作有利，有资料显示同种材料时四层板要比双面板的噪声低20dB，但是板层数越高，制造工艺越复杂、成本越高。

（五）电源隔离与地线分割

不同功能或者不同要求的电路布线，常常需要进行电源隔离和地线分割。

如模拟电路与数字电路、弱信号电路与强信号电路、敏感电路（PLL、低抖动触发等）与其它电路等，互相之间应该尽量减小干扰，电路才能达到预期指标要求。

基本要求：

1．不同区域的电源层或地层应该在电源入口处接在一起，通常为树型结构或手指形结构，不同功能电路的地线分割方法，分割缝隙和板子边缘不得小于2mm。

2．不同种类电源区域和地区域不能互相交叉

3．壕沟与桥。由于地平面的分区分割，常常会造成各功能电路之间的信号传输返回回路的不连续，为了保证信号、电源以及地的连接，除了采用变压器隔离（不能传输直流信号）、光耦合器隔离（难于传送高频）之外，常用桥接方式。“桥”实际上是壕沟上的一个缺口，且仅有一处而已，信号线、电源及接地都由此处越过壕沟如图所示。当使用这种方法时，如果是多点接地系统（所有高速设计都是）最好将桥的两边都接到机壳地。

三、结论

在产品工程中，PCB的设计占据非常重要的位置，尤其在高频电设计中尤其重要，同样的原理设计,同样的元器件,不同的人制作出来的PCB就具有不同的结果。

有很多原理上行得通的东西在工程中却难以实现,或是别人能实现的东西另一些人却实现不了,因此说做一块PCB板不难,但要做好一块PCB板却不是一件容易的事情。