作者：John Ardizzoni （PS：John Ardizzoni擔任ADI高速放大器部門應用工程師。 加入ADI公司之前，他曾在IBM的RFIC應用部門和M/A-COM公司工作了20年。寫了不少經典好文章哦，必須給誨人不倦的老司機點贊！） 雖然印刷電路板（PCB）布線在高速電路中具有關鍵的作用，但它往往只是電路設計過程的最后幾個步驟之一。高速PCB布線有很多方面的問題，關于這個主題已有大量的文獻可供參考。本文主要從實踐的角度來探討高速電路的布線問題，主要目的在于幫助新用戶當進行設計高速電路PCB布線時，能注意到需要考慮的多種不同問題。另一個目的是為已經有一段時間沒接觸PCB布線的客戶提供一種復習資料。受限于文章版面，本文不可能詳細地論述所有的問題，但是文中將討論對提高電路性能、縮短設計時間與節省修改時間等具有最大成效的關鍵部分。 雖然本文主要針對與高速運算放大器有關的電路，但是文中所討論的問題和方法對用于大多數其他高速模擬電路的布線是普遍適用 的。當運算放大器工作在很高的射頻（RF）頻段時，電路的性能很大程度上取決于PCB布線。圖紙上看起來很好的高性能電路設計，如果由于布線時粗心馬虎受到影響，最后只能得到普通的性能。因此在整個佈線過程中預先考慮并注意重要的細節會有助于確保預期的電路性能。 原理圖 盡管良好的原理圖不能保證有好的布線，但是好的布線卻是始于良好的原理圖。在繪制原理圖時要深思熟慮，并且必須考慮整個電路的信號走向。如果在原理圖中從左到右具有正常穩定的信號流，那么在PCB上也應具有同樣好的信號流。在原理圖上盡可能多給出有用的資訊。如此就算有些問題電路設計工程師無法解決，客戶也可以尋求其他管道幫助解決電路的問題。 除了普通的參考識別字、功耗和誤差容許范圍外，原理圖中還應該給出哪些資訊呢？下文將提供一些建議，可以將普通的原理圖變成最佳的原理圖。加入波形、有關外殼的機械資訊、印制線長度、空白區；標明哪些元件需要置于PCB上面；給出調整資訊、元件取值范圍、散熱資訊、控制阻抗印制線、注釋、扼要的電路動作描述以及其他資訊等。 誰都別信 如果不是自行設計布線，一定要留出充裕的時間仔細檢查布線人的設計。很小的預防可以抵得上一百倍的補救。不要指望布線的人能理解設計者的想法。在布線設計過程的初期意見和指導是最重要的。能提供的資訊越多，并且整個布線過程中介入的越多，結果得到的PCB就會越好。給布線設計工程師設置一個暫定的完成點，按照所想要的布線進展報告快速檢查。這種閉合環路方法可以防止佈線誤入歧途，進而讓重新設計的可能性降至最低。 需要給布線工程師的指示包括：電路功能的簡短描述，標明輸入和輸出位置的PCB略圖，PCB層疊資訊（例如，板子有多厚，有多少層，各信號層和接地平面的詳細資訊：功耗、地線、模擬信號、數字信號和RF信號等）；各層需要那些信號；要求重要元件的放置位置；旁路元件的確切位置；哪些印制線很重要；哪些線路需要控制阻抗印制線；哪些線路需要匹配長度；元件的尺寸；哪些印制線需要彼此遠離（或靠近）；哪些線路需要彼此遠離（或靠近）；哪些元件需要彼此遠離（或靠近）；哪些元件要放在PCB的上面，哪些放在下面。佈線設計工程師永遠不能抱怨需要給出的資訊太多。資訊永遠不嫌多。 接著將分享一項學習經驗：大約10年前進行一塊多層表面貼電路板的設計案，該電路板的板子兩面都有元件。用很多螺釘將板子固定在一個鍍金的鋁制外殼中（因為有很嚴格的防震標準）。提供偏置饋通（feedthrough）的引腳穿過板子。該引腳是通過焊接線連接到PCB上的。這是一個很復雜的裝置。板子上的一些元件是用于測試設定（SAT）的。但是工程師已經明確規定了這些元件的位置。這些元件都安裝在什么地方呢？就在板子的下面。當產品工程師和技術員不得不將整個裝置拆開，完成設定后再將它們重新組裝的時候，此一手續便顯得很復雜。因此必須盡可能減少這樣的錯誤。 位置 正像在PCB中，位置決定一切。將一個電路放在PCB上的什么位置，將其具體的電路元件安裝在什么位置，以及其相鄰的其他電路是什么，這一切都非常重要。 通常，輸入、輸出和電源的位置是預先確定好的，但是它們之間的電路就需要發揮各自的創造性了。這就是為什么注意佈線細節將對后續制造產生重大影響的原因。從關鍵元件的位置入手，根據具體電路和整個PCB來考慮。從一開始就規定關鍵元件的位置以及訊號的路徑有助于確保設計達到預期的工作目標。一次就得到正確的設計可以降低成本和壓力，更可因此縮短開發周期。 旁路電源 在放大器的電源端設置旁路電源以便降低雜訊是PCB設計過程中一個很重要的方向，包括對高速運算放大器以及其他的高速電路。旁路高速運算放大器有兩種常用的配置方法。 ■電源端接地 這種方法在大多數情況下都是最有效的，採用多個并聯電容器將運算放大器的電源引腳直接接地。一般說來兩個并聯電容就足夠了，但是增加并聯電容器可能給某些電路帶來益處。 并聯不同電容值的電容器有助于確保電源引腳在很寬的頻帶上出現很低的交流（AC）阻抗。這對于在運算放大器電源抑制比（PSR）衰減頻率處尤其重要。該電容器有助于補償放大器降低的PSR。在許多十倍頻程范圍內保持低阻抗的接地通路將有助于確保有害的雜訊不能進入運算放大器。(圖一)顯示採用多個并聯電容器的優點。在低頻段，大的電容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦頻率達到了它們自身的諧振頻率，電容器的相容性就會減弱，并且逐漸呈現出電感性。這就是為什么採用多個電容器是很重要的原因：當一個電容器的頻率回應開始下降時，另一個電容器的頻率回應開始其作用，所以能在許多十倍頻程范圍內保持很低的AC阻抗。 (圖一)?電容器的阻抗與頻率的關系 直接從運算放大器的電源引腳入手；具有最小電容值和最小物理尺寸的電容器應當與運算放大器置于PCB的同一面，并且盡可能靠近放大器。電容器的接地端應該用最短的引腳或印制線直接連至接地平面。上述的接地連接應該盡可能靠近放大器的負載端以便減小電源端和接地端之間的干擾。(圖二)便顯示了這種連接方法。 (圖二)?旁路電源端和地的并聯電容器 對于次大電容值的電容器應該重復這個過程。最好從0.01μF最小電容值開始放置，并且靠近放置一個2.2μF（或大一點兒）的具有低等效串聯電阻（ESR）的電解電容器。採用0508外殼尺寸的0.01μF電容器具有很低的串聯電感和優良的高頻性能。 ■電源端到電源端 另外一種配置方法為採用一個或多個旁路電容跨接在運算放大器的正電源端和負電源端之間。當在電路中配置四個電容器很困難的情況下通常便採用這種方法。它的缺點是電容器的外殼尺寸可能增大，因為電容器兩端的電壓是單電源旁路方法中電壓值的兩倍。增大電壓就需要提高元件的額定擊穿電壓，也就是要增大外殼尺寸。但是，這種方法可以改進PSR和失真性能。 因為每種電路和佈線都是不同的，所以電容器的配置、數量和電容值都要根據實際電路的要求而定。 寄生效應 所謂寄生效應，按照字面意思就是那些出現在PCB板中并在電路中大施破壞、令人頭痛且原因不明的小故障。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過長所形成的寄生電感；焊盤（pad）到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間形成的寄生電容；通孔之間的相互影響，以及許多其他可能的寄生效應。(圖三)(a)顯示一個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，同樣的電路可能會變成圖三(b)那樣。 (圖三)?典型的運算放大器電路(a)原設計圖與(b)考慮寄生效應后的圖 在高速電路中，很小的值就會影響電路的性能。有時候電容值幾十個pF的電容就足夠了。相關實例：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，如(圖四)。如果寄生電容足夠大的話，它會引起電路的不穩定和震盪。 (圖四)?由寄生電容引起的附加尖脈沖 當尋找有問題的寄生源時，可能用得著幾個計算上述那些寄生電容尺寸的基本公式。(公式一)是計算平行極板電容器的公式，如(圖五)。 (公式一) (1)C表示電容值； (2)A表示以cm2為單位的極板面積； (3)k表示PCB材料的相對介電常數； (4)d表示以cm為單位的極板間距離。 (圖五)?兩極板間的電容 帶狀電感是另外一種需要考慮的寄生效應，它是由于印制線過長或缺乏接地平面引起的。(公式二)顯示出計算印制線電感（Inductance）的公式。可參考(圖六)。 (公式二) (1)W表示印制線寬度； (2)L表示印制線長度； (3)H表示印制線的厚度； (4)全部尺寸都以mm為單位。 (圖六)?印制線電感 (圖七)中的震盪顯示高速運算放大器同相輸入端長度為2.54cm的印制線的影響。其等效寄生電感為29nH（10－9H），足以造成持續的低壓振蕩，會持續到整個瞬態回應周期。圖七還顯示了如何利用接地平面來減小寄生電感的影響。