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高频PCB技巧

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  • 2013-06-24
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高频PCB技巧

1)        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。 Protel for Windows V1.5能提供16个铜线层和4个电源层,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。
2)        高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好。高频电路布线的引线最好采用全直线,需要转折,可用45度折线或圆弧转折,这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度,而在高频电路中,满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。用Protel布线时可在以下两处预先设置,一是在"Options"菜单的"Track Mode"子菜单中预约以 45/90 Line或 90 Arc/Line方式布线,二是在"Auto"菜单的"SetupAutorouter…"项所打开的Routing Passes"对话框中选定"Add Arcs",以便自动布线结束时使转角圆弧化。
3)        高频电路器件管脚间的引线越短越好。Protel满足布线最短化的最有效手段是在自动市线前对个别重点的高速网络进行"布线"预约。首先,打开"Netlst"菜单的"Edit Net"子菜单,会出现一?quot;Change Net"对话框,把此对话框中的"OptimizeMethod(布线优化模式)"选为"Shortest(最短化)"Rp可。其次,从整体考虑,元件布局时用"Auto"中Placement Tools-Shove'和"Auto"中的"Density(密度检查)"来对比调整,使元件排列紧凑,并配合"Netlist"菜单中的"Length"功能和"Info"菜单中的Lengthof selection"功能,对所选定的需最短化的重点网络进行布线长度测量。
4)        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,据测,一个过孔可带来约0.5 pF的分布电容,减少过孔数能显著提高速度。Protel软件专门提供了这一功能,它在 Auto菜单的Setup Autorouter…"项所打开的Routing Passes"对话框中,有一个"Advanced"栏目,把其中的"Smoothing"设为接通即可。
5)        高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的"交叉干扰",若无法避免平行分布,可在平行信号线的反面布置大面积"地"来大幅度减少干扰。同一层内的平行走线几乎无法避免,但是在相邻的两个层,走线的方向务必取为相互垂直,这在Protel中不难办到但却容易忽视。在"Auto"菜单的"Setup Autorouter…项所打开的Routing Lagers对话框中允许对每一层的走线方向进行预定,供预选的方向有三种:quot;Horizontal、Vertical和 No Prefer-ence",不少用户习惯选用"No Preference(无特定取向)",认为这样布通率高,但是,在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行。同一层内的平行走线无法避免,但可以在印板反面大面积敷设地线来降低干扰(这是针对常用的双面板而言,多层板可利用中间的电源层来实现这一功能),Protel软件过去只提供了简单的"Fill"功能来应付这种需求,现在Windows下的Protel除此之外还在"Edit"菜单的"Place"选项中提供了更强大的放置"Polygon Plane"的功能,即:多边形栅格(条)铜箔面,如果在放置它时就把多边形取为整个印板的一个面,并把此栅格(条)与电路的GND网络连通,那么,该功能将能实现整块电路板的某一面的"铺铜"操作,经过"铺铜"的电路板除能提高刚才所讲的高频抗干扰能力外,还对散热、印板强度等有很大好处,另外,在电路板金属机箱上的固定处若加上镀锡栅条,不仅可以提高固定强度,保障接触良好,更可利用金属机箱构成合适的公共线。在软件菜单中打开此功能后可见到一个"Place Polygon Plane对话框,它会问你是否要把所放置的多边形栅格(条)与网络接通(connect net),若接通该项,退出对话框时将提示你给出欲接通的网络名,给定接通GND网络将能起到屏蔽层的作用。同时还会问你"铺铜"的图案是用水平条(horizonta)、竖直条(vertica)还是栅格(两者都选即可)。选用栅格将会有较好的屏蔽效果,同时,栅格网的尺寸(习惯称作为"目")确定依据所要重点屏蔽的干扰频率而定。
6)        对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。该措施在Protel软件中也能自动实现,它就是"Edit"菜单的"Place"下的"Outline Select-ed Items",即:绘制所选对象的外轮廓线。利用此功能,可以自动地对所选定的重要信号线进行所谓的"包地"处理,当然,把此功能用于时钟等单元局部进行包地处理对高速系统也将非常有益。
7)        各类信号走线不能形成环路,地线也不能形成电流环路。Protel自动布线的走线原则除了前面所讲的最短化原则外,还有基于X方向、基于Y方向和菊花状(daisy)走线方式,采用菊花状走线能有效避免布线时形成环路。具体可打开'Netlist"菜单的"Edit Net"子菜单,出现一个"Change Net"对话框,把此对话框中的"OptimizeMethod(布线优化模式)"选为"DaisyChain"即可。
8)        每个集成电路块的附近应设置一个高频退耦电容。由于Protel软件在自动放置元件时并不考虑退耦电容与被退耦的集成电路间的位置关系,任由软件放置,使两者相距太远,退耦效果大打折扣,这时必须用手工移动元件(" Edit"、"Move""component")的办法事先干预两者位置,使之靠近。
9)        模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。在实际装配高频扼流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠,在电路原理图上对它一般不予表达,由此形成的网络表(netlist)就不包含这类元件,布线时就会因此而忽略它的存在。针对此现实,可在原理图中把它当作电感,在PCB元件库中单独为它定义一个元件封装,布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。工程师们有时开玩笑说,电缆是把另外两个隐患源连接进来的隐患源。如今,有了价廉、易用的单片RF系统,如果你的工程项目,传输信号的距离不是很远,那就可以省去招惹是非的电缆了。有一些应用场合,避免使用电缆反而会使设备的使用状况更好。例如,在手持式控制盒与其所控制的设备之间,如果使用电缆链接,效果未必会好。又如汽车或住房的遥控无钥匙输入(RKE)锁也是无电缆连接的。有时有许多方式可以用廉价和易用的RF链接实现新的应用,而用接线连接,反而往往行不通。像无线表头的读数、能量的控制,以及供暖、通风和空调这类应用,现在都可以形成系统,但在不久前,这种系统还是难以建立的,主要原因是成本太高了。促成无线链接技术和系统发展有几方面原因,首先是最终用户要求使用方便。市场已有不少产品,如人们随处可见的电视红外遥控器,就已开拓出自己发展的前程,也就是说这些产品和系统已经不用电缆来链接,而且,人们已习以为常。其次,IC的生产厂家已把他们的生产工艺、产品和钟频提高到兆赫级,甚至是千兆赫级的范围,这样一来,用户所需要的RF频带,自然就包括在他们装置的工频范围之内了。对于在此频率范围内上变频和下变频变换,这些IC往往都用不着再专门外接别的电路部件。就能胜任工作。 用把分立元件――常常还是些恼人的有源和无源元件――来装配RF连接的时代已经结束。更为难得的是,这些用IC做的RF连接器耗电极低,它工作的频带还没有具体的专利特许,也几乎没有什么现存的规定。只要最终用户是处在指定的频率和功率电平范围内,就不用再做设计。当然,切莫以为把这种最新一代的RF IC有效地用在专用的和点到点的连接器上是一件轻而易举的小事。如果你要确保实现承诺,还得仔细地研究各种问题,因为不同型号的RF IC在许多相关参数,如频率、完备性和整体性能上,是不尽相同的。向外伸出到达接收器用户的首要考虑是需要可靠地达到的距离。这些含有末级功放的IC只耗毫瓦级功率电平,就可以使通信距离至少能够达到几米的量级,外部环境条件好时甚至能达到100米或更远一些。如果你想要达到更长的距离,可以再外加一级RF放大器就可以了。但是,请注意,加了这一级又会引出一些别的问题来,其中包括受规定限制的问题、功耗增大、增加器件数和成本,以及当你靠近时,接收器上的信号超载等问题,都要考虑(你也可以使用宽程自动增益的接收器,但其复杂程度就会增加)。另一种方案是采用定向无线。但是同样,由于某些原因,这种简单的方法往往也不现实;它会在目标方向上加大有效辐射功率(ERP),而这种ERP一般必须保持在规定限额以下。虽然对没有受规定限制的接收器,你可以使用定向天线,但这又会限制用户移动的自由度(附文"这是罗德尼(Rodney)危险场情况")。 用户还需要考虑在简单、单向、单工链接与双向、半双工链接之间的权衡。有许多应用,如RF识别(RFID)和RKE,只需要一种单工链接,但却从双向信号通道中受益。单工链接对系统是否收到信号不提供确认功能。当你对汽车上锁或开锁时,汽车喇叭会发出声音反馈给你,这样你也就完成了设定。但是如果你在离家时对住所设定报警系统,你可能就需要对报警是否已确切收到待命信号并做了设定安排进行确认,或是报警系统工作的反馈,如在某一报警区的正确设置与否。这种单向链接也限制了某些保安处理的算法的应用(附文"恰当的保安措施保你更平安")。 虽然半双工系统比单工系统需要用的元件多一些,但幸运的是,在这些低功耗的链接上却没有额外增加什么设计的复杂性。唯一的公用系统部件是天线,而且因为链接不是全双工的,所以在发送器加电工作时,接收器的前端就用不着加电。因此,设计上就不需要使用滤波器以及把接收和发送频带分开,而且发送器的加电状态也不会使接收器的前端出现饱和。大多数这种低功耗、近距离的RF链接器,都是以低的或分散的占空比以及短信息进行运作的,因此对发送器功耗的计算就与对接收器计算不一样,因为后者至少要经常处于待机、收听或是轮询的模式。一台标准的RKE机一天可能要用好几次,但每次使用时间只有几毫秒,所以电池的实际寿命可用1~2年。虽然各种产品的应用情况不尽相同,但大多数对电池工作寿命的要求,都需要至少是二至三年。请注意,如果你的应用涉及周期性信息,例如报警系统的一个输入点要回授其中央控制器以确认一切仍然正常,因而对发送器的功耗和工作电压要求十分严格。你必须仔细斟酌你的设计在这方面的情况,或许应更换容量更大的电池,或采用更高的工作电压。另外,在你的功耗预算中,一定别忘了把微控制器的功耗计算在内。无线链路的这种固有特性,使它能比较随便地应用在场所不固定的场合之中。不定的应用环境,有时还容易受到过冷过热和粗心操作等的影响。因此,集成度高就有明显的优势。因为集成度越高,就会省掉一些元件,那么,不仅延长了平均故障间隔时间,而且还对链路的工作距离有利。当然,也正由于这种特性,RF电路也容易受失谐、漂移及灵敏度等的影响,因而,其标称的长期工作的距离,也可能会随着不可避免的用户的滥用及使用环境的恶劣影响而急剧缩短。因此,用户需要在实际工作条件下对产品做寿命试验,这样,在12至18个月内,就不会因产品不好使而引起用户向你投拆,说他们车库门的遥控器作用距离在迅速缩短,或链路工作时好时坏。由于其他一些原因,一般来说接收器的设计和装配比发送器的难度要大一些。发送器有明确的任务:只是在用户要求时,取一个已知的信号,将其编码并调制到已知的载波上,并提供足够的RF功率就可以了。与此形成鲜明对照的是,接收器却要完成费力不讨好的信号处理任务,要时时保持警觉,或在频谱中出现失真、充满噪声信号而需调谐时,还要不断地轮询。要求能在SNR低、有干扰、而且器件参数发生漂移的情况下仍能检出有用的信号。因为这些以及其他的原因,许多生产RF IC的厂家就把精力集中在链路的接收器这一端。也可以说,接收器是制造厂家获得最大的增值的地方,同时,也是用户受益最大的电路技术,还能减少设计工程师的大多数麻烦。当然,发送器和接收器之间的这种差别,不应该误导人们,就此以为发送器的实施方案看得很简单。除非你对产品自行设计开发和质量认证的能力有绝对的把握,否则你仍然要慎重地确定接收器厂家提供的发送器是否匹配,或有没有为了降低风险而可以借鉴的参考设计。

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