1问题

随着电子系统设计复杂度和集成度的大规模增加，时钟速度和器件上升时间越来越快，并且 高速印刷电路板 设计已成为设计过程的重要组成部分。 在高速电路设计中，电路板线路上的电感和电容使导线相当于一条传输线。 端接元件布局不正确或高速信号布线不正确都会引起传输线效应问题，导致系统输出不正确的数据、电路运行异常甚至根本不运行。 基于传输线模型，总结起来，传输线会给电路设计带来信号反射、串扰、电磁干扰、电源和地噪声等不利影响。

为了设计出能够可靠工作的高速PCB电路板，设计时必须充分考虑周全，解决布局布线过程中可能出现的一些不可靠问题，缩短产品开发周期，提高市场竞争力。

如何使用PROTEL设计工具进行高速PCB设计

2 高频系统布局设计

在电路的PCB设计中，布局是一个重要的环节。 布局的结果将直接影响布线效果和系统的可靠性，是整个印制电路板设计中最耗时也最困难的。 高频PCB的复杂环境使得高频系统的布局设计难以运用所学的理论知识。 它要求布局的人必须有丰富的高速PCB制造经验，以免在设计过程中走弯路。 提高电路工作的可靠性和有效性。 在布局过程中，要综合考虑机械结构、散热、电磁干扰、日后布线的方便性和美观性。

首先，在布局之前，将整个电路分为功能。 高频电路与低频电路分离，模拟电路与数字电路分离。 每个功能电路都尽可能靠近芯片的中心放置。 避免导线过长造成的传输延迟，提高电容的去耦效果。 另外要注意管脚与电路元件和其他管子的相对位置和方向，以减少它们之间的相互影响。 所有高频元件应远离机箱和其他金属板，以减少寄生耦合。

其次，在布局时要注意元件之间的热效应和电磁效应。 这些影响对于高频系统尤为严重，应采取远离或隔离、散热和屏蔽的措施。 大功率整流管和调节管应装有散热器，并远离变压器。 电解电容等耐热元件应远离发热元件，否则电解液会变干，导致电阻增大，性能变差，影响电路的稳定性。 布局中应留有足够的空间来布置保护结构，防止引入各种寄生耦合。 为防止印刷电路板上的线圈之间发生电磁耦合，两个线圈应成直角放置，以降低耦合系数。 也可以采用垂直板隔离的方法。 最好直接使用要焊接到电路的元件的引线。 引线越短越好。 不要使用连接器和焊片，因为相邻焊片之间存在分布电容和分布电感。 避免在晶体振荡器、RIN、模拟电压和参考电压信号走线周围放置高噪声元件。

最后，在保证内在质量和可靠性的同时，在兼顾整体美观的同时，要进行合理的电路板规划。 元件应平行或垂直于板面，平行或垂直于主板边缘。 元件在板面上的分布要尽量均匀，密度要一致。 这样，不仅美观，而且易于组装和焊接，易于批量生产。

3 高频系统接线

在高频电路中，连接线的电阻、电容、电感、互感等分布参数不可忽视。 从抗干扰的角度考虑，合理布线就是尽量减少电路中的线路电阻、分布电容和杂散电感。 , 将由此产生的杂散磁场降至最低，从而抑制了噪声引起的分布电容、漏磁通、电磁互感等干扰。

PROTEL设计工具在中国的应用已经相当普遍。 然而，很多设计者只关注“宽带率”，而PROTEL设计工具为适应器件特性变化而做出的改进并没有在设计中得到应用，这不仅使得设计工具资源的浪费更多严重，这使得许多新设备的出色性能难以发挥。

下面介绍一些 PROTEL99 SE 工具可以提供的特殊功能。

(1) 高频电路器件引脚之间的引线应尽量少弯曲。 最好使用完整的直线。 需要弯曲时，可采用45°弯曲或圆弧，可减少高频信号的外部发射和相互干扰。 之间的耦合。 使用 PROTEL 进行布线时，可以在“设计”菜单的“规则”菜单中的“布线角”中选择 45 度或圆角。 您还可以使用 shift + 空格键在行之间快速切换。

(2)高频电路器件的引脚之间的引线越短越好。

PROTEL 99 满足最短布线的最有效方法是在自动布线之前对各个关键高速网络进行布线预约。 “设计”菜单中“规则”中的“路由拓扑”

选择最短。

(3) 高频电路器件引脚之间的引线层交替尽可能小。 也就是说，元件连接过程中使用的过孔越少越好。

一个过孔可以带来大约0.5pF的分布电容，减少过孔数量可以显着提高速度。

(4)对于高频电路布线，要注意信号线平行布线引入的“交叉干扰”，即串扰。 如果不能避免平行分布，可以在平行信号线的对侧布置大面积的“地”

大大减少干扰。 同一层的平行布线几乎是不可避免的，但是在相邻的两个层中，布线的方向必须相互垂直。 这在 PROTEL 中并不难做到，但很容易被忽视。 在“设计”菜单“规则”中的“RoutingLayers”中，Toplayer选择Horizo​​ntal，BottomLayer选择VerTIcal。 此外，在“地方”中提供了“Polygonplane”

多边形网格铜箔表面的作用，如果将多边形作为整个印刷电路板的一个表面，并将这块铜连接到电路的GND，可以提高高频抗干扰能力，它还具有对散热和印刷板强度有更大的好处。

(5)对特别重要的信号线或本地单元实施地线封闭措施。 在“工具”中提供了“勾画选定对象”，该功能可用于对选定的重要信号线（如振荡电路LT和X1）自动“包地”。

(6)一般电路的电源线和地线都比信号线宽。 您可以使用“设计”菜单中的“类别”对网络进行分类，分为电力网络和信号网络。 方便设置接线规则。 切换电源线和信号线的线宽。

(7)各种接线不能形成回路，地线不能形成电流回路。 如果产生环路，会对系统造成很大的干扰。 为此可以采用菊花链的接线方式，可以有效避免接线时形成回路、分支或树桩，但也会带来不易接线的问题。

(8)根据各种芯片的数据和设计，估算电源电路通过的电流，确定所需的线宽。 根据经验公式：W（线宽）≥L（mm/A）×I（A）。

根据电流，尽量增加电源线的宽度，降低回路电阻。 同时，使电源线和地线的方向与数据传输方向一致，有助于增强抗噪声能力。 必要时，可在电源线和地线上加装铜线绕铁氧体制成的高频扼流装置，以阻隔高频噪声的传导。

(9) 同一网络的布线宽度应保持一致。 线宽的变化会导致不均匀的线特性阻抗。 当传输速度较高时，会发生反射，在设计中应尽量避免。 同时，增加平行线的线宽。 当线中心距不超过线宽的3倍时，可以保持70%的电场互不干扰，称为3W原理。 这样就可以克服平行线引起的分布电容和分布电感的影响。

4 电源线和地线的设计

为了解决高频电路引入的电源噪声和线路阻抗引起的压降，必须充分考虑高频电路中供电系统的可靠性。 一般有两种解决方案：一是采用电源总线技术进行布线； 另一种是使用单独的电源层。 相比之下，后者的制造工艺更复杂，成本也更高。 因此，可以采用网络式电源总线技术进行布线，使每个元件属于不同的回路，网络上每条总线上的电流趋于平衡，减少线路阻抗引起的压降。

高频发射功率比较大，可以用大面积的铜，在附近找一个低阻的地平面进行多重接地。 因为接地线的电感量与频率和长度成正比，工作频率高时共地阻抗会增加，会增加共地阻抗产生的电磁干扰，所以地线的长度为要求尽可能短。 尽量减少信号线的长度，增加接地回路的面积。

在芯片的电源和地设置一个或几个高频去耦电容，为集成芯片的瞬态电流提供就近的高频通道，使电流不通过大回路的电源线面积，从而大大减少辐射到外界的噪音。 选择高频信号好的单片陶瓷电容作为去耦电容。 使用大容量钽电容或涤纶电容代替电解电容作为储能电容进行电路充电。 由于电解电容的分布电感较大，对高频无效。 使用电解电容时，请与高频特性好的去耦电容成对使用。

5 其他高速电路设计技术

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源的内部阻抗相互适应以获得最大功率输出的工作状态。 对于高速PCB布线，为了防止信号反射，要求电路阻抗为50Ω。 这是一个近似数字。 一般规定同轴电缆的基带为50Ω，频带为75Ω，双绞线为100Ω。 它只是一个整数，为了匹配方便。 根据具体电路分析，采用并联交流端接，电阻电容网络作为端接阻抗。 终端电阻 R 必须小于或等于传输线阻抗 Z0，电容 C 必须大于 100 pF。 推荐使用0.1UF多层陶瓷电容。 电容具有阻低频通高频的作用，所以电阻R不是驱动源的直流负载，所以这种端接方式没有任何直流功耗。

串扰是指信号在传输线上传播时，由于电磁耦合到相邻传输线而引起的不希望有的电压噪声干扰。 耦合分为电容耦合和电感耦合。 过大的串扰可能会导致电路误触发，导致系统无法正常工作。 根据串扰的一些特点，可以总结出几种减少串扰的主要方法：

(1) 增加线距，减少平行长度，必要时采用点动法接线。

(2)当高速信号线满足条件时，增加端接匹配可以减少或消除反射，从而减少串扰。

(3)对于微带传输线和带状传输线，将走线高度限制在地平面以上的范围内可以显着降低串扰。

(4)在布线空间允许的情况下，在串扰比较严重的两根导线之间插入一根地线，可以起到隔离和减少串扰的作用。

传统PCB设计由于缺乏高速分析和仿真指导，信号质量无法保证，大部分问题要到制版测试才能发现。 这大大降低了设计效率，增加了成本，在激烈的市场竞争中显然处于劣势。 因此，对于高速PCB设计，业内人士提出了一种全新的设计思路，成为一种“自顶向下”的设计方法。 经过各种策略分析和优化，大部分可能出现的问题都被规避了，节省了很多。 确保满足项目预算、生产高质量印制板并避免繁琐且代价高昂的测试错误的时间。

使用差分线传输数字信号是控制高速数字电路中破坏信号完整性的因素的有效措施。 印刷电路板上的差分线相当于工作在准TEM模式下的差分微波集成传输线对。 其中，PCB顶部或底部的差分线相当于耦合微带线，位于多层PCB内层的差分线相当于宽边耦合带线。 数字信号以奇模传输方式在差分线上传输，即正负信号的相位差为180°，噪声以共模方式耦合在一对差分线上。 减去电路的电压或电流，从而得到消除共模噪声的信号。 差分线对的低电压幅值或电流驱动输出满足了高速集成和低功耗的要求。

6 结束语

随着电子技术的不断发展，理解信号完整性理论来指导和验证高速PCB的设计势在必行。 本文总结的一些经验可以帮助高速电路PCB设计人员缩短开发周期，避免走不必要的弯路，节省人力物力。 设计人员必须在实际工作中不断研究探索，不断积累经验，结合新技术，设计出性能优异的高速PCB电路板。