您需要了解的 PCB 线路、PCB 布局和 PCB 设计知识

大家都知道做电路板的原理图是把设计好的电路板变成真正的 PCB 板，请不要小看这个过程，工程上有很多东西在实用性原则上是很难实现的，或者说有的 PCB 厂商能实现而有的不能实现，所以说做一块 PCB 板并不难，但做出一块好的 PCB 板却不是一件容易的事。微电子领域的两大难点是高频信号和微弱信号的处理。在这方面，PCB 的制作水平显得尤为重要。同样的原理图设计，同样的元器件，不同的PCB厂做出的PCB都有不同的效果，那么怎样才能做出一块好的PCB板呢？

接到设计任务后，必须先明确设计目标，是普通PCB板、高频PCB、小信号PCB还是既有高频又有小信号的PCB，如果是普通PCB，只要做到布局合理整齐、机械尺寸准确，那就没问题了。

当电路板上的信号线超过 40MHz 时，应特别考虑这些信号线。如果频率更高，则对走线长度的限制会更严格。根据分布参数网络理论，高速电路与其迹线之间的相互作用是系统设计中不可忽视的决定性因素。随着传输速度的增加，信号线上的对立面也会相应增加，相邻信号线之间的串扰也会成正比增加。一般来说，高速电路的功耗和散热量也很大，因此在制作高速电路板时应给予足够的重视。

当电路板上有毫伏甚至微伏的微弱信号时，这些信号线需要特别注意。小信号太弱，很容易受到其他强信号的干扰。通常需要采取屏蔽措施，否则会大大降低信噪比。这样，有用的信号就会被噪声淹没，无法有效提取。

电路板的调试在设计阶段也要考虑，测试点的物理位置、测试点的隔离度等因素都不能忽视，因为一些小信号和高频信号是不能直接加到探头上测量的。

此外，还应考虑其他一些相关因素，如电路板的层数、所用元器件的封装以及电路板的机械强度等。在制作 PCB 电路板之前，应明确了解设计的设计目标。

我们知道，有些特殊元件对布局和布线有特殊要求，例如 LOTI 和 APH 中使用的模拟放大器，需要平稳、低纹波的电源。模拟小信号部分应尽可能远离电源设备。在 OTI 电路板上，小信号放大部分专门配备了屏蔽罩，以屏蔽杂散电磁干扰。NTOI 板上使用的 Glink 芯片采用 ECL 工艺，耗电量大，发热量高。因此，在布局时必须特别考虑散热问题。如果采用自然散热，Glink 芯片应放置在空气流通比较顺畅的地方，散发的热量不能对其他芯片产生很大影响。如果电路板上装有扬声器或其他大功率设备，可能会对电源造成严重污染，对此也应引起足够重视。

元件的 PCB 设计首先要考虑的因素之一是电气性能。必须考虑元件的实际尺寸（占用面积和高度）以及元件之间的相对位置，以确保电路板的电气性能以及生产和安装的可行性和便利性。将连接紧密的元件尽量放在一起，特别是一些高速线路，要尽量缩短。将电源信号和小信号元件分开。在满足电路性能的前提下，还要考虑元器件摆放整齐、美观、便于测试，电路板的机械尺寸、插座位置等也需要认真考虑。

在高速系统中，接地和互连的传输延迟时间也是系统设计中首先要考虑的因素。信号线上的传输时间对整个系统的速度影响很大，特别是对于高速 ECL 电路。虽然集成电路块本身的速度很高，但由于在电路板上使用普通互连线而增加的延迟时间（每 30cm 线长约 2ns 延迟）会大大降低系统速度。

PCB 布线是整个 PCB 设计中最重要的程序。这将直接影响到 PCB 板的性能。在 PCB 的设计过程中，布线主要按照以下原则进行：

(1)一般情况下，应先设计好电源线和地线，以保证电路板的电气性能。尽量加宽电源线、地线的宽度，最好比电源线宽，它们之间的关系是地线>电源线>信号线，通常，信号线的宽度为：数字电路的 PCB 可以用较宽的接地导线组成回路，即形成接地网格（模拟电路的接地不能用这种方法）

(2）高频线路应提前放置，边缘线的输入和输出应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

(3)任何信号线都不应形成回路，如不可避免，回路应尽可能小；信号线的通孔应尽可能少；(4)关键线路应短而粗，两侧应加保护。

(5) 通过扁平电缆传输敏感信号和噪声场带信号时，应采用 "接地-信号-接地 "的方式。

(6) 应为关键信号预留测试点，以方便生产和维护测试。

(7)原理图布线完成后，应优化布线；同时，在初步网络检查和 DRC 检查无误后，将未布线区域用地线填满，并用大面积的铜作为地线。在印刷电路板上，不使用的地方作为地线与地相连。或者做成多层板，将电源、地线放在单独的一层上。

一般情况下，信号线宽度为 0.3mm（12mil），电源线宽度为 0.77mm（30mil）或 1.27mm（50mil）；轨道之间、轨道与焊盘之间的空间大于或等于 0.33mm（13mil）。在实际应用中，条件允许时应考虑该空间；当轨道密度较高时，可考虑（但不建议）在集成电路引脚之间使用两条轨道，其宽度为 0.254mm（10mil），间距不小于 0.254mm（10mil）。在特殊情况下，当器件引脚密集而宽度较窄时，可适当减小线宽和线间距。

焊盘和通孔的基本要求是：焊盘的直径应比通孔的直径大 0.6mm；例如，通用引脚型电阻器、电容器和集成电路等，使用焊盘/通孔的尺寸为 1.6mm/0.8mm（63mil/32mil），插座、引脚和二极管 1N4007 等，使用 1.8mm/1.0mm（71mil/39mil）。在实际应用中，应根据实际元件的尺寸来确定。如果条件允许，可以适当增大焊盘的尺寸。设计元件在 PCB 板上的安装孔应比元件引脚的实际尺寸大 0.2 ~ 0.4mm 左右。

通常为 1.27mm/0.7mm（50mil/28mil）；当线路密度较高时，可适当减小通孔尺寸，但不宜过小。可以考虑 1.0mm/0.6mm（40mil/24mil）。

焊盘和经：≥ 0.3mm（12mil）焊盘和经：≥ 0.3mm（12mil）焊盘和轨道：≥ 0.3mm（12mil）轨道和轨道：≥ 0.3mm（12mil）当轨道密度较高时：焊盘和经：≥ 0.254mm（10mil）焊盘与焊盘：≥ 0.254mm（10mil）焊盘与轨道：≥ 0.254mm（10mil）轨道与轨道：≥ 0.254mm（10mil）

首先，在电路原理图的 PCB 设计正确的前提下，网查生成的 PCB 网络文件与原理图网络文件之间的物理连接关系，并根据输出文件及时修改设计，确保布线连接关系的正确性。

网络检查无误通过后，对 PCB 设计进行 DRC 检查，并根据输出文件及时修改设计，确保 PCB 布线的电气性能。最后，对 PCB 的机械安装结构进行进一步检查和确认。

直角布线对信号的影响主要体现在三个方面：一是转角处可相当于传输线上的容性负载，使上升时间变慢；二是阻抗不连续会造成信号的反射；三是直角产生的 EMI。对于 10GHz 以上的射频设计领域，这些小直角可能成为高速问题的关键对象。

差分信号（Differential Signal）是指驱动器发送两个等效的反相信号，接收器比较两个电压的差值来判断逻辑状态是 "0 "还是 "1"：1）、抗干扰性强，这是因为当外部噪声干扰存在时，两条差分线之间的耦合非常好。它可以同时耦合到两条线上，而接收端只关心两路信号的差值。因此可以完全抵消共同的外部噪声。同样，由于两个信号的极性相反，它们辐射的电磁场也可以相互抵消。耦合越紧密，释放到外部的电磁能量就越少。由于差分信号的开关变化位于两个信号的交叉点，不像普通单端信号要靠高低阈值电压来判断，因此受工艺和温度的影响较小，可以减少时序误差。目前流行的 LVDS（低电压差分信号）就是指这种小振幅差分信号技术。

曲线布线是 PCB 布局中常用的一种布线方法。其主要目的是调整延迟，以满足系统的时序设计要求。最关键的两个参数是平行耦合长度（Lp）和耦合空间（S）。显然，当信号在弯曲的线路上传输时，平行线段之间的耦合将以差模的形式发生。S 越小，Lp 越大，耦合度也就越大。这可能会导致传输延迟的减少，以及由于交叉而导致信号质量的显著下降，其机理可参考共模和差模交叉的分析。