高速PCB布線(xiàn)實(shí)踐指南

　　寄生效應

　　所謂寄生效應就是那些溜進(jìn)你的PCB并在電路中大施破壞、令人頭痛、原因不明的小故障。它們就是滲入高速電路中隱藏的寄生電容和寄生電感。其中包括由封裝引腳和印制線(xiàn)過(guò)長(cháng)形成的寄生電感；焊盤(pán)到地、焊盤(pán)到電源平面和焊盤(pán)到印制線(xiàn)之間形成的寄生電容；通孔之間的相互影響，以及許多其它可能的寄生效應。圖3(a)示出了一個(gè)典型的同相運算放大器原理圖。但是，如果考慮寄生效應的話(huà)，同樣的電路可能會(huì )變成圖3(b)那樣。

　　在高速電路中，很小的值就會(huì )影響電路的性能。有時(shí)候幾十個(gè)皮法(pF)的電容就足夠了。相關(guān)實(shí)例：如果在反相輸入端僅有1pF的附加寄生電容，它在頻率域可以引起差不多2dB的尖脈沖(見(jiàn)圖4)。如果寄生電容足夠大的話(huà)，它會(huì )引起電路的不穩定和振蕩。

　　當尋找有問(wèn)題的寄生源時(shí)，可能用得著(zhù)幾個(gè)計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。公式(1)是計算平行極板電容器(見(jiàn)圖5)的公式。

　　C表示電容值，A表示以cm2為單位的極板面積，k表示PCB材料的相對介電常數，d表示以cm為單位的極板間距離。

　　帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應，它是由于印制線(xiàn)過(guò)長(cháng)或缺乏接地平面引起的。

　　式(2)示出了計算印制線(xiàn)電感(Inductance)的公式。參見(jiàn)圖6。

　　W表示印制線(xiàn)寬度，L表示印制線(xiàn)長(cháng)度，H表示印制線(xiàn)的厚度。全部尺寸都以mm為單位。

　　圖7中的振蕩示出了高速運算放大器同相輸入端長(cháng)度為2.54 cm的印制線(xiàn)的影響。其等效寄生電感為29 nH(10-9H)，足以造成持續的低壓振蕩，會(huì )持續到整個(gè)瞬態(tài)響應周期。圖7還示出了如何利用接地平面來(lái)減小寄生電感的影響。

　　通孔是另外一種寄生源；它們能引起寄生電感和寄生電容。公式(3)是計算寄生電感的公式(參見(jiàn)圖8)。

　　T表示PCB的厚度，d表示以cm為單位的通孔直徑。

　　公式(4)示出了如何計算通孔(參見(jiàn)圖8)引起的寄生電容值。

　　er表示PCB材料的相對磁導率。T表示PCB的厚度。D1表示環(huán)繞通孔的焊盤(pán)直徑。D2表示接地平面中隔離孔的直徑。所有尺寸均以cm為單位。在一塊0.157 cm厚的PCB上一個(gè)通孔就可以增加1.2 nH的寄生電感和0.5 pF的寄生電容；這就是為什么在給PCB布線(xiàn)時(shí)一定要時(shí)刻保持戒備的原因，要將寄生效應的影響降至最小。

　　接地平面

　　實(shí)際上需要討論的內容遠不止本文提到的這些，但是我們會(huì )重點(diǎn)突出一些關(guān)鍵特性并鼓勵讀者進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題。

　　接地平面起到公共基準電壓的作用，提供屏蔽，能夠散熱和減小寄生電感(但它也會(huì )增加寄生電容)的功能。雖然使用接地平面有許多好處，但是在實(shí)現時(shí)也必須小心，因為它對能夠做的和不能夠做的都有一些限制。

　　理想情況下，PCB有一層應該專(zhuān)門(mén)用作接地平面。這樣當整個(gè)平面不被破壞時(shí)才會(huì )產(chǎn)生最好的結果。千萬(wàn)不要挪用此專(zhuān)用層中接地平面的區域用于連接其它信號。由于接地平面可以消除導體和接地平面之間的磁場(chǎng)，所以可以減小印制線(xiàn)電感。如果破壞接地平面的某個(gè)區域，會(huì )給接地平面上面或下面的印制線(xiàn)引入意想不到的寄生電感。

　　因為接地平面通常具有很大的表面積和橫截面積，所以使接地平面的電阻保持最小值。在低頻段，電流會(huì )選擇電阻最小的路徑，但是在高頻段，電流會(huì )選擇阻抗最小的路徑。

　　然而也有例外，有時(shí)候小的接地平面會(huì )更好。如果將接地平面從輸入或者輸出焊盤(pán)下挪開(kāi)，高速運算放大器會(huì )更好地工作。因為在輸入端的接地平面引入的寄生電容，增加了運算放大器的輸入電容，減小了相位裕量，從而造成不穩定性。正如在寄生效應一節的討論中所看到的，運算放大器輸入端1 pF的電容能引起很明顯的尖脈沖。輸出端的容性負載——包括寄生的容性負載——造成了反饋環(huán)路中的極點(diǎn)。這會(huì )降低相位裕量并造成電路變得不穩定。

　　如果有可能的話(huà)，模擬電路和數字電路——包括各自的地和接地平面——應該分開(kāi)?？焖俚纳仙貢?huì )造成電流毛刺流入接地平面。這些快速的電流毛刺引起的噪聲會(huì )破壞模擬性能。模擬地和數字地(以及電源)應該被連接到一個(gè)共用的接地點(diǎn)以便降低循環(huán)流動(dòng)的數字和模擬接地電流和噪聲。

　　在高頻段，必須考慮一種稱(chēng)為“趨膚效應”的現象。趨膚效應會(huì )引起電流流向導線(xiàn)的外表面——結果會(huì )使得導線(xiàn)的橫截面變窄，因此使直流(DC)電阻增大。雖然趨膚效應超出了本文討論的范圍，這里還是給出銅線(xiàn)中趨膚深度(Skin Depth)的一個(gè)很好的近似公式(以cm為單位)：