PCB设计的一般原则 1. 布局 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：斯凯瑞金童书 (1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 (2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 (3)重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 (4)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调 节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 (5)应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。 根据电路的功能单元．对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： (1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。 视听剧场(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上．尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 (3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观．而且装焊容易．易于批量生产。 (4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2成4：3。电路板面尺寸大于200x150mm时．应考虑电路板所受的机械强度。 2．布线的原则如下： (1)输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。 (2)印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。 当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1 ~ 15mm 时．通过 2A的电流，温度不会高于3℃，因此．导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02~0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线．尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至5~8mm。 (3)印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状．这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 3.焊盘 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。 PCB及电路抗干扰措施 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。 1.电源线设计
根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2．地线设计的原则是：
(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2~3mm以上。
(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。
3. 退藕电容的一般配置原则是：
PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。
(1)电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。
(2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1 ~ 10pF的但电容。
(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
(5)在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 ~ 2K，C取2.2 ~ 47UF。
(6)CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
印刷电路板中的过孔设计一．过孔的基本概念 过孔（via）是多层PCB的重要组成部分之一。PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说，过孔一般又分为三类，盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线 路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。
从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔（drill hole）,二是钻孔周围的焊盘区，这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔加工工艺越难，需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁均匀镀铜。
二．过孔的寄生电容
过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：
C=1.41εTD1/(D2-D1)
过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。举例来说，对于一块厚度为50mil的PCB板，如果使用内径为10mil，焊盘直径为20mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是： C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF
这部分电容引起的上升时间变化量为： T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps
从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，设计者还是要慎重考虑的。
三．过孔的寄生电感
同样，过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感： L=5.08h[ln(4h/d)+1]
其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为： L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为： XL=πL/T10-90=3.19Ω
这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
四．高速PCB中的过孔设计
通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：
1．从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。
2．上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3．PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4．电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。
5．在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。
当然，在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。
详解 蛇形走线的作用
PCB上的任何一条走线在通过高频信号的情况下都会对该信号造成时延时，蛇形走线的主要作用是补偿“同一组相关”信号线中延时较小的部分，这些部分通常是没有或比其它信号少通过另外的逻辑处理；最典型的就是时钟线，通常它不需经过任何其它逻辑处理，因而其延时会小于其它相关信号。
高速数字PCB板的等线长是为了使各信号的延迟差保持在一个范围内,保证系统在同一周期内读取的数据的有效性(延迟差超过一个时钟周期时会错读下一周期的数据),一般要求延迟差不超过1/4时钟周期,单位长度的线延迟差也是固定的,延迟跟线宽,线长,铜厚,板层结构有关,但线过长会增大分布电容和分布电感,使信号质量,所以时钟IC引脚一般都接RC端接,但
蛇形走线并非起电感的作用,相反的,电感会使信号中的上升元中的高次谐波相移,造成信号质量恶化,所以要求蛇形线间距最少是线宽的两倍,信号的上升时间越小就越易受分布电容和分布电感的影响.
因为应用场合不同具不同的作用,如果蛇形走线在电脑板中出现，其主要起到一个滤波电感的作用，提高电路的抗干扰能力，电脑主机板中的蛇形走线，主要用在一些时钟信号中，如PCIClk,AGPClk，它的作用有两点：1、阻抗匹配 2、滤波电感。对一些重要信号，如INTEL HUB架构中的HUBLink,一共13根，跑233MHz，要求必须严格等长，以消除时滞造成的隐患，绕线是唯一的解决办法。一般来讲，蛇形走线的线距>=2倍的线宽。PCI板上的蛇行线就是为了适应PCI 33MHzClock的线长要求。若在一般普通PCB板中，是一个分布参数的 LC 滤波器，还可作为收音机天线的电感线圈，短而窄的蛇形走线可做保险丝等等.
采用蛇行线的确有助于提高主板、显卡的稳定性，有助于消除长直布线在电流通过时产生的电感现象，减轻线与线之间的串扰问题，这一点在高频率时表现得尤为明显。当然你也能够通过减小布线的密度达到相同的效果。
有条件的朋友可以观察一下手边的主板。CPU插座-->北桥芯片、北桥-->AGP插槽、频
率发生器背面、内存DIMM槽附近，这些是集中使用蛇行线的地方。究其原因，还是这些都是工作在高频，并且还需要稳定的电流信号。
时频分析在PROTEL中一般先大致手工画好线，然后把要设置的所有线为一个CLASS，选Tools/Equalize net lengths。
减轻线与线的串扰最主要的就是增加线间距，而和绕蛇行无关，蛇行线反而会带入导线自身的串扰问题，计算机主版个部分信号对时序要求非常严格，所以必须对每种信号进行长度匹配，以满足足够的建立和保持时间，走蛇行线仅仅是和时序设计相关，和高频信号完整性无关。我看过的国外多本信号完整性著作，还有芯片组厂商的Guildline,均没有要求设计者采用蛇行线走法，当然会有走线长度要求，但这只是符合时序规范要求。
专家关于高速线路的布线问题解答
1。问：在实际布线中，很多理论是相互冲突的；
1。处理多个模/数地的接法：理论上是应该相互隔离的，但在实际的小型化、高密度布线中，由于空间的局限或者绝对的隔离会导致小信号模拟地走线过长，很难实现理论的接法。我的做法是：将模/数功能模块的地分割成一个完整的孤岛，该功能模块的模/数地都连
接在这一个孤岛上。再通过沟道让孤岛和“大”地连接。不知这种做法是否正确？
2。理论上晶振与CPU的连线应该尽量短，由于结构布局的原因，晶振与CPU的连线比较长、比较细，因此受到了干扰，工作不稳定，这时如何从布线解决这个问题？诸如此类的问题还有很多，尤其是高速PCB布线中考虑EMC、EMI问题，有很多冲突，很是头痛，请问如何解决这些冲突？角动量守恒定律
答：1. 基本上, 将模/数地分割隔离是对的。 要注意的是信号走线尽量不要跨过有分割的 地方(moat), 还有不要让电源和信号的回流电流路径(returning current path)变太大。
2. 晶振是模拟的正反馈振荡电路, 要有稳定的振荡信号, 必须满足loop gain与phase的规范, 而这模拟信号的振荡规范很容易受到干扰, 即使加ground guard traces可能也无法完全隔离干扰。 而且离的太远, 地平面上的噪声也会影响正反馈振荡电路。 所以, 一定要将晶振和芯片的距离进可能靠近。
3. 确实高速布线与EMI的要求有很多冲突。 但基本原则是因EMI所加的电阻电容或ferrite bead, 不能造成信号的一些电气特性不符合规范。 所以, 最好先用安排走线和PCB叠层的技巧来解决或减少EMI的问题, 如高速信号走内层。 最后才用电阻电容或ferrite bead的方式, 以降低对信号的伤害。
2。在高速设计中，如何解决信号的完整性问题？差分布线方式是如何实现的？对于只有一个输出端的时钟信号线，如何实现差分布线？
答：信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构和输出阻抗(output impedance)，走线的特性阻抗，负载端的特性，走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式是靠端接(termination)与调整走线的拓朴。 差分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种，一为两条线走在同一走线层(side-by-side)，一为两条线走在上下相邻两层(over-under)。一般以前者side-by-side实现的方式较多。 要用差分布线一定是信号源和接收端也都是差分信号才有意义。所以对只有一个输出端的时钟信号是无法使用差分布线的。
3。 关于高速差分信号布线
日本为啥打死不认错问：在pcb上靠近平行走高速差分信号线对的时候，在阻抗匹配的情况下，由于两线的相互耦合，会带来很多好处。但是有观点认为这样会增大信号的衰减，影响传输距离。是不是这样，为什么？我在一些大公司的评估板上看到高速布线有的尽量靠近且平行，而有的却有意的使两线距离忽远忽近，我不懂那一种效果更好。我的信号1GHz以上，阻抗为50
欧姆。在用软件计算时，差分线对也是以50欧姆来计算吗？还是以100欧姆来算？接收端差分线对之间可否加一匹配电阻？
答：会使高频信号能量衰减的原因一是导体本身的电阻特性(conductor loss), 包括集肤效应(skin effect), 另一是介电物质的dielectric loss。 这两种因子在电磁理论分析传输线效应(transmission line effect)时, 可看出他们对信号衰减的影响程度。 差分线的耦合是会影响各自的特性阻抗, 变的较小, 根据分压原理(voltage divider)这会使信号源送到线上的电压小一点。 至于, 因耦合而使信号衰减的理论分析我并没有看过, 所以我无法评论。 对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平行。 所谓适当的靠近是因为这间距会影响到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是设计差分对的重要参数。 需要平行也是因为要保持差分阻抗的一致性。 若两线忽远忽近, 差分阻抗就会不一致, 就会影响信号完整性(signal integrity)及时间延迟(timing delay)。 差分阻抗的计算是 2(Z11 - Z12), 其中, Z11是走线本身的特性阻抗, Z12是两条差分线间因为耦合而产生的阻抗, 与线距有关。 所以, 要设计差分阻抗为100欧姆时, 走线本身的特性阻抗一定要稍大于50欧姆。 至于要大多少, 可用仿真软件算出来。
4。问：要提高抗干扰性，除了模拟地和数字地分开只在电源一点连接，加粗地线和电源线南京农业大学学报
外，希望专家给一些好的意见和建议！
答：除了地要分开隔离外, 也要注意模拟电路部分的电源, 如果跟数字电路共享电源, 最好要加滤波线路。 另外, 数字信号和模拟信号不要有交错, 不要跨过分割地的地方(moat)。
5。 关于高速PCB设计中信号层空白区域敷铜接地问题
问：在高速PCB设计中，信号层的空白区域可以敷铜，那么多个信号层的敷铜是都接地好呢， 还是一半接地，一半接电源好呢？
答：般在空白区域的敷铜绝大部分情况是接地。 只是在高速信号线旁敷铜时要注意敷铜与信号线的距离， 因为所敷的铜会降低一点走线的特性阻抗。 也要注意不要影响到它层的特 性阻抗， 例如在dual stripline的结构时。
6。 高速信号线的匹配问题
问：在高速板(如p4的主板)layout，为什么要求高速信号线(如cpu数据，地址信号线）要匹配? 如果不匹配会带来什么隐患？其匹配的长度范围（既信号线的时滞差）是由什么因素决定的，怎样计算？
答： 要求走线特性阻抗匹配的主要原因是要避免高速传输线效应(transmission line effect)所引起的反射(reflection)影响到信号完整性(signal integrity)和延迟时间(flight time)。也就
是说如果不匹配，则信号会被反射影响其质量。 所有走线的长度范围都是根据时序(timing)的要求所订出来的。影响信号延迟时间的因素很多，走线长度只是其一。P4要求某些信号线长度要在某个范围就是根据该信号所用的传输模式(common clock或source synchronous)下算得的timing margin，分配一部分给走线长度的允许误差。
7。问： 在高密度印制板上通过软件自动产生测试点一般情况下能满足大批量生产的测试要求吗?添加测试点会不会影响高速信号的质量？
答：一般软件自动产生测试点是否满足测试需求必须看对加测试点的规范是否符合测试机具的要求。另外，如果走线太密且加测试点的规范比较严，则有可能没办法自动对每段线都加上测试点，当然，需要手动补齐所要测试的地方。 至于会不会影响信号质量就要看加测试点的方式和信号到底多快而定。基本上外加的测试点(不用线上既有的穿孔(via or DIP pin)当测试点)可能加在线上或是从线上拉一小段线出来。前者相当于是加上一个很小的电容在线上，后者则是多了一段分支。这两个情况都会对高速信号多多少少会有点影响，影响的程度就跟信号的频率速度和信号缘变化率(edge rate)有关。影响大小可透过仿真得知。原则上测试点越小越好(当然还要满足测试机具的要求)分支越短越好。
8。如何选择PCB板材?如何避免高速数据传输对周围模拟小信号的高频干扰,有没有一些设
计的基本思路?
答：选择PCB板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。设计需求包含电气和机构这两部分。通常在设计非常高速的PCB板子(大于GHz的频率)时这材质问题会比较重要。例如，现在常用的FR-4材质，在几个GHz的频率时的介质损耗dielectric loss会对信号衰减有很大的影响，可能就不合用。就电气而言，要注意介电常数(dielectric constant)和介质损在所设计的频率是否合用。 避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离，或加ground guard/shunt traces在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。
9。一个系统往往分成若干个PCB，有电源、接口、主板等，各板之间的地线往往各有互连，导致形成许许多多的环路，产生诸如低频环路噪声，不知这个问题如何解决？
答：各个PCB板子相互连接之间的信号或电源在动作时，例如A板子有电源或信号送到B板子，一定会有等量的电流从地层流回到A板子 (此为Kirchoff current law)。这地层上的电流会阻抗最小的地方流回去。所以，在各个不管是电源或信号相互连接的接口处，分配给地层的管脚数不能太少，以降低阻抗，这样可以降低地层上的噪声。另外，也可以分析整
个电流环路，尤其是电流较大的部分，调整地层或地线的接法，来控制电流的走法(例如，在某处制造低阻抗，让大部分的电流从这个地方走)，降低对其它较敏感信号的影响。
10。（1）能否提供一些经验数据、公式和方法来估算布线的阻抗。（2）当无法满足阻抗匹配的要求时，是在信号线的末端加并联的匹配电阻好，还是在信号线上加串联的匹配电阻好。（3）差分信号线中间可否加地线
答：1.以下提供两个常被参考的特性阻抗公式： a.微带线(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W为线宽，T为走线的铜皮厚度，H为走线到参考平面的距离，Er是PCB板材质的介电常数(dielectric constant)。此公式必须在0.1<(W/H)<2.0及1<(Er)<15的情况才能应用。 b.带状线(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中，H为两参考平面的距离，并且走线位于两参考平面的中间。此公式必须在W/H<0.35及T/H<0.25的情况才能应用。 最好还是用仿真软件来计算比较准确。
2.选择端接(termination)的方法有几项因素要考虑: a.信号源(source driver)的架构和强度。 b.功率消耗(power consumption)的大小。 c.对时间延迟的影响，这是最重要考虑的一点。 所以，很难说哪一种端接方式是比较好的。
3.差分信号中间一般是不能加地线。因为差分信号的应用原理最重要的一点便是利用差分信号间相互耦合(coupling)所带来的好处，如flux cancellation，抗噪声(noise immunity)能力等。若在中间加地线，便会破坏耦合效应。
11. 请问适当选择PCB与外壳接地的点的原则是什么？另外，一般PCB LAYOUT工程师总是根据DESIGN GUIDE/LAYOUT GUIDELINE做，我想了解一般制定GUIDE的是硬件/系统工程师，还是资深PCB工程师？谁应该对板级系统的性能负主要责任。
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