从实践角度探讨高速PCB的布线问题

布线和屏蔽

PCB上存在各种各样的模拟和数字信号，包括从高到低的电压或电流，从DC到GHz频率范围。保证这些信号不相互干扰是非常困难的。

回 顾前面“谁都别信”部分的建议，最关键的是预先思考并且为了如何处理PCB上的信号制定出一个计划。重要的是注意哪些信号是敏感信号并且确定必须采取何种 措施来保证信号的完整性。接地平面为电信号提供一个公共参考点，也可以用于屏蔽。如果需要进行信号隔离，首先应该在信号印制线之间留出物理距离。下面是一 些值得借鉴的实践经验：

减小同一PCB中长并联线的长度和信号印制线间的接近程度可以降低电感耦合。

减小相邻层的长印制线长度可以防止电容耦合。

需要高隔离度的信号印制线应该走不同的层而且——如果它们无完全隔离的话——应该走正交印制线，而且将接地平面置于它们之间。正交布线可以将电容耦合减至最小，而且地线会形成一种电屏蔽。在构成控制阻抗印制线时可以采用这种方法。

高频(RF)信号通常在控制阻抗印制线上流动。就是说，该印制线保持一种特征阻抗，例如50Ω(RF应用中的典型值)。两种最常见的控制阻抗印制线，微带线4和带状线5都可以达到类似的效果，但是实现的方法不同。

微带控制阻抗印制线，如图13所示，可以用在PCB的任意一面;它直接采用其下面的接地平面作为其参考平面。

图13. 微带传输线。

公式(6)可以用于计算一块FR4板的特征阻抗。

(6)

H表示从接地平面到信号印制线之间的距离，W表示印制线宽度，T表示印制线厚度;全部尺寸均以密耳(mils)(10-3英寸)为单位。εr表示PCB材料的介电常数。

带状控制阻抗印制线(参见图14)采用了两层接地平面，信号印制线夹在其中。这种方法使用了较多的印制线，需要的PCB层数更多，对电介质厚度变化敏感，而且成本更高——所以通常只用于要求严格的应用中。

图14. 带状控制阻抗印制线。

用于带状线的特征阻抗计算公式如公式(7)所示。

(7)

保 护环，或者说“隔离环”，是运算放大器常用的另一种屏蔽方法，它用于防止寄生电流进入敏感结点。其基本原理很简单——用一条保护导线将敏感结点完全包围起 来，导线保持或者迫使它保持(低阻抗)与敏感结点相同的电势，因此使吸收的寄生电流远离了敏感结点。图15(a)示出了用于运算放大器反相配置和同相配置 中的保护环的原理图。图15(b)示出用于SOT-23-5封装中两种保护环的典型布线方法。

图15. 保护环。(a)反相和同相工作。(b)SOT-23-5封装。

还有很多其它的屏蔽和布线方法。欲获得有关这个问题和上述其它题目的更多信息，建议读者阅读下列参考文献。

结论

高水平的PCB布线对成功的运算放大器电路设计是很重要的，尤其是对高速电路。一个好原理图是好的布线的基础;电路设计工程师和布线设计工程师之间的紧密配 合是根本，尤其是关于器件和接线的位置问题。需要考虑的问题包括旁路电源，减小寄生效应，采用接地平面，运算放大器封装的影响，以及布线和屏蔽的方法。