在当今的电子技术中,高频 PCB 设计已成为一个至关重要的领域。随着无线通信、雷达技术等应用的广泛发展,对高频 PCB 的需求日益增长。高频 PCB 设计需要严格遵循一系列规则以确保信号的完整性和稳定性。以下将详细探讨高频 PCB 设计的规则。
一、电源与地的统一
在高频电路设计中,电源以层的形式设计,回路总可以沿着阻抗最小的路径走。同时,电源板还得为 PCB 上所有产生和接收的信号提供一个信号回路,这样可以最小化信号回路,从而减小噪声。
二、消除反射和串扰
仔细考虑的布线和合适的端接可以消除反射,并减小容性和感性串扰。反射是由于传输线上阻抗不连续引起的信号反射现象,会降低信号质量。为了消除反射,需要确保传输线的负载阻抗与传输线的特性阻抗匹配。而串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象,它会引发不期望的噪声信号,可以通过合理的布线来减少。
三、抑制噪声
需要抑制噪声来满足 EMC 要求。高频电路工作时会产生各种噪声,如热噪声、电磁辐射等。这些噪声会干扰其他电子设备的正常工作,同时也会影响高频电路本身的性能。通过采用滤波器、屏蔽罩等措施,可以有效地抑制噪声。
四、选择合适的 PCB 板材
选择 PCB 板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。设计需求包含电气和机构这两部分。对于高频 PCB 板子,材质问题较为重要。例如,常用的 FR-4 材质在几个 GHz 的频率时的介质损耗(dielectric loss)会对信号衰减有很大的影响,可能不适用于高频电路。
五、避免高频干扰
避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰,也就是所谓的串扰。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离,或加 ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。
六、解决信号的完整性问题
信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构和输出阻抗,走线的特性阻抗,负载端的特性,走线的拓扑架构等。解决的方式是靠端接与调整走线的拓朴。
七、差分布线方式
差分对的布线有两点要注意,一是两条线的长度要尽量一样长,另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变,也就是要保持平行。平行的方式有两种,一为两条线走在同一走线层,一为两条线走在上下相邻两层。
八、处理实际布线中的冲突问题
基本上,将模/数地分割隔离是对的。要注意信号走线尽量不要跨过有分割的地方,还有不要让电源和信号的回流电流路径变太大。
九、元件布局规划和布线规则
高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好。所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好。一个过孔可带来约 0.5pF 的分布电容,减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。
高频 PCB 设计是一个复杂而精细的工作,需要综合考虑多个方面的因素。只有遵循这些规则,才能设计出高性能、高可靠性的高频 PCB 板。