PCB布線設計(之一)

自動布線的優(yōu)缺點以及模擬電路布線的注意事項
設計PCB時，往往很想使用自動布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號電平比較低，電路密度比較小時)采用自動布線是沒有問題的。但是，在設計模擬、混合信號或高速電路板時，如果采用布線軟件的自動布線工具，可能會出現(xiàn)一些問題，甚至很可能帶來嚴重的電路性能問題。
例如，圖1中顯示了一個采用自動布線設計的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設計此混合信號電路板時，經(jīng)仔細考慮，將器件手工放在板上，以便將數(shù)字和模擬器件分開放置。
采用這種布線方案時，有幾個方面需要注意，但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線，則頂層的器件都通過走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過電路板最右側的過孔連接。當檢查這種布線策略時，首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個地環(huán)路。另外，還會發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號線隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位A/D轉換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會有數(shù)字地信號經(jīng)過。
圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時，為確保正確實現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設計準則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數(shù)字地平面分開；如果地平面被信號走線隔斷，為降低對地電流回路的干擾，應使信號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開關引起的di/dt效應。
這兩種雙面板都在底層布有地平面，這種做法是為了方便工程師解決問題，使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評估板通常采用這種布線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁干擾。

圖1 采用自動布線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

圖2 采用自動布線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層

圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的電路原理圖

圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的模擬部分電路原理圖

有無地平面時的電流回路設計
對于電流回路，需要注意如下基本事項：
1. 如果使用走線，應將其盡量加粗。
PCB上的接地連接如要考慮走線時，設計應將走線盡量加粗。這是一個好的經(jīng)驗法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點到末端的有效寬度，此處“末端”指距離電源連接端最遠的點。
2. 應避免地環(huán)路。
3. 如果不能采用地平面，應采用星形連接策略(見圖6)。
通過這種方法，地電流獨立返回電源連接端。圖6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和第5條準則，是可以這樣做的。
4. 數(shù)字電流不應流經(jīng)模擬器件。
數(shù)字器件開關時，回路中的數(shù)字電流相當大，但只是瞬時的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對于地平面或接地走線的感抗部分，計算公式為V = Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是持續(xù)時間。對地線阻抗部分的影響，其計算公式為V= RI, 其中，V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號鏈中信號和地之間的關系(即信號的對地電壓)。
5. 高速電流不應流經(jīng)低速器件。
與上述類似，高速電路的地返回信號也會造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計算公式和上述相同，對于地平面或接地走線的感抗，V = Ldi/dt ；對于地平面或接地走線的阻抗，V = RI 。與數(shù)字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過模擬器件時，地線上的電壓變化會改變信號鏈中信號和地之間的關系。

圖4 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

圖5 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層

圖6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布線策略來處理電流回路

圖7 分隔開的地平面有時比連續(xù)的地平面有效，圖b)接地布線策略比圖a) 的接地策略理想

6. 不管使用何種技術，接地回路必須設計為最小阻抗和容抗。
7. 如使用地平面，分隔開地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹慎使用。分開模擬和數(shù)字地平面的有效方法如圖7所示。
圖7中，精密模擬電路更靠近接插件，但是與數(shù)字網(wǎng)絡和電源電路的開關電流隔離開了。這是分隔開接地回路的非常有效的方法，我們在前面討論的圖4和圖5的布線也采用了這種技術?！?/p>