印刷电路基板Layout布线时应注意哪些事项.doc
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1、印刷电路基板Layout布线时应注意哪些事项印刷电路板在设计之初往往有相当大的问题,尤其是在基板、Layout、布线等部份都需要注意,本文将从这些面向加以探讨。印刷电路基板的噪讯对策几乎所有的电路都使用印刷电路基板,这意味着印刷电路基板的噪讯对策俨然成为噪讯对策的核心。如图1所示,印刷电路基板内的电路可以分成三大类:*电源/大地电路*主信号电路()*接口电路主信号电路是执行实际电路动作的部位,主信号电路随着电路的种类与用途,还能够再细分成数个单元。接口电路是执行印刷电路基板与外部信号交易(接口)的电路,接口电路以噪讯对策立场而言,它具备防止印刷电路基板外部的噪讯渗入电路基板,以及电路基板内部的
2、噪讯放射至基板外部两种功能。电源/大地(ground)电路主要功能是提供电源给信号电路与接口电路,大地具备不平衡电路的折返线功能。原本电源与大地必需维持稳定的电位,不过实际上电源与大地会各自产生共通阻抗(impedance),因此在噪讯对策上属于非常棘手部位。印刷电路基板的Layout以噪讯对策观点而言,必需根据种类与用途将电路加以分类,才能够将噪讯对策配置(Layout)在印刷电路基板上。原则上高噪讯加害性电路与低抗噪讯电路,最好能够分别配置在独立的电路基板上,不过实际上基于成本与电路规模等考虑,两电路混载情况相当普遍。如上所述高噪讯加害性电路与低抗噪讯电路,两者必需尽量分开配置,尤其是噪讯
3、很大的信号线,尽量避免长距离回绕布线。加害性很高的布线则尽量避免通过低抗噪讯电路周围,如果采取平行或是密接布线时,crosstalk会有变大之虞。 布线的回绕方式取决于组件的配置,为达成上述布线原则,组件的配置成为重要的课题。图2是典型的印刷电路基板Layout范例,如图所示该电路基板是复数个电路基板之中的一片,此时只要透过主机板就能够进行信号交易。主机板执行基板之间的数据交易时通常会有Bus通行,虽然图2的基板主体是数字电路,不过却混载小规模的模拟电路。数字电路透过主机板端的接口电路,除了与其它基板进行接口(interface)之外,数字接口还能够与外部进行其它接口作业。 模拟电路能够与外部
4、进行模拟信号交易,模拟电路单元设有A/D转换器,为了避免模拟电路对数字接口发生噪讯干扰,因此设置A/D转换器时必需远离数字接口。模拟电路的电源必需与数字电路的电源完全分开独立设置,不过模拟电路的电源电压若与数字电路的电源电压相同时,模拟电路的噪讯很低的情况除外,模拟电路可以使用部份的数字电路电源,此时必需在模拟电源的入口处设置滤波器,杜绝数字电路的噪讯。至于大地则是将数字与模拟单元连接成一点,再利用数字与模拟连接部位的图案(pattern)不规则回绕设计使它具备若干的阻抗,再利用该阻抗能够使数字与模拟单元产生分离效果。印刷电路基板的布线基板的入口处通常会设置旁通电容器(bypass conde
5、nser)。以图2为例,旁通电容器设置在数字电源电路端。基板入口处的旁通电容器,除了发挥旁通电容器原本的功能之外,它还可以抑制基板内的电源阻抗,过滤来自基板外部的噪讯。为强化上述目的,某些电路还会插入电感与旁通电容器形成LC滤波器(图3)。电感器一旦使直流重迭时,由于直流成份的影响造成电感值大幅降低。此外电源用电感会有很大的直流电流动,因此必需选择适合的电感器。一般电源基板入口处设置的电感器,大多使用图4的Toroidal型电感器。旁通电容器采用两段式结构,为了使旁通电容器支持应宽广的频域,因此必需分别使用可以支持低频的电容器与支持高频的电容器。基板入口处设置的电容器属于低频用,虽然它的容量取
6、决于基板内部流动的电流值,不过一般都使用数十F左右的铝质电电容器。高频用旁通电容器则设置在IC附近,大多使用数0.01F左右的陶瓷电容器。理想上每个IC附近最好插入一个旁通电容器,小电流IC每隔23个设置一个即可。第二段旁通电容器同样设置在IC附近,如果距离IC太远的话,由于受到图中的电感器影响,容易造旁通电容器效果被削弱等问题。图5是距离与旁通电容器的互动特性测试结果,图5(a)的旁通电容器与IC的距离为10cm,图5(b)为3cm,两者其它条件完全相同,不过(a)与(b)的效果却截然不同,距离为10cm时旁通电容器几乎未发挥任何作用。本实验使用数字IC(Inverter),图中的为IC的动
7、作波形,如图所示随着动作波形的变化,IC的电源电流也发生改变。为电源大地之间的波形,如图所示变化时,电源内部会产生严重的噪讯。图6的旁通电容器外观上看似非常靠近IC,实际却是典型的设计不当范例。旁通电容器的效果,基本上取决于电源大地图案三者之间的回绕方式,虽然旁通电容器的效果非常大,不过布线的阻抗也非常重要,因此设计上通常会使用非常粗大的图案(图7)。此处为探讨图案的影响,IC附近刻意不插入旁通电容器,只在基板入口处设置的旁通电容器,其结果如图7所示。图7(a)从旁通电容器一直到IC为止的图案比较细长(高阻抗),图7(b)的图案则比较粗短(低阻抗),不过两者的波形都呈振动状。振动的原因主要是连
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