第三单元 系统组件 3.1 PCB设计技巧

   几层PCB为最佳？
   要根据电路复杂度来决定PCB层数。
   单层PCB
   简易消费电子产品有时是在单层PCB上制作的，薄的铜层使材料成本保持低廉。此类设计往往要用许多“跳线”来模拟双面板电路。此法仅适用于低频电路。由于下列原因，单层PCB易受辐射噪声的干扰。设计单层PCB难度很大，因为许多方面都可能出问题。许多复杂设计成功采用了单层PCB方案，但这需要预先考虑很多问题。例如，电视机箱底部的单层PCB板就包括了所有模拟电路，金属化显像管将其和电视机顶部数字调谐电路板隔离开来。如果设计中需要大量低成本PCB的话，那就一定要大胆创新。如果需要单层PCB，请不要忘记迹线电阻！
   双层PCB
   更复杂的就是双层PCB。因为有两层金属，所以双层板易于布线。而且，可以在两层交叉传输信号。然而，模拟电路中不推荐采用迹线交叉。只要有可能，底层金属就应当用作“地平面”，而信号都分布于顶层。采用“地平面”的好处如下：

■电路中需要经常“接地”。底层连续的“地平面”往往为电路布线带来最大的方便。

■“地平面”增强了电路板的机械强度。

■“地平面”减小了接地阻抗，从而降低了传导噪声。

■“地平面”增加了电路网孔的分布电容，从而有利于抑制辐射噪声。

■“地平面”屏蔽了来自下方的辐射噪声。

   多层PCB
   尽管双层板有些优势，但并非最佳结构，尤其对于敏感电路设计或高速电路设计。电路板的常见厚度为1.5mm。对于实现上述优势而言，这个距离就太大了。以分布电容为例。由于这个距离，使得分布电容很低。关键电路设计需要多层板。显性原因如下：

■不仅利于“接地”，更利于电源布线。如果电源也占一个平面，那么电路中所有的连接点都可以通过增加通孔而实现。

■其它层可用来为信号布线，从而简化了布线过程。

■在“电源平面”和“地平面”间将形成分布电容，从而降低高频噪声。

       采用多层PCB的隐性原因如下：

■更有利于抑制电磁干扰和射频干扰。从马可尼时代起，人们就认识到了“镜像平面效应”。当一个导体被平行置于另一个导体表面附近时，大部分高频电流将直接返流回到导体内部。平面内导体的镜像构成了一条传输线。传输线中的电流相等并反向，因此会对辐射噪声具有较好的抗干扰性。它还能有效地耦合信号。对于“电源平面”和“地平面”，都存在“镜像平面效应”，但前提是平面必须要连续。任何缝隙或不连续都将导致“镜像平面效应”迅速消失。

■降低小规模生产的项目总成本。尽管多层板造价昂贵，但美国联邦通信委员会等机构会要求对设计进行测试。一旦出现问题，就将被责令重新设计PCB，参加下一次测试。和双层PCB相比，多层PCB可以获得20dB的抗干扰（EMI/RFI）能力的提高。

   接地策略
   在系统级设计中，要考虑接地策略。从首次评估电子产品的概念设计开始，就应该规划好接地策略。
   第一要则：地要分开
   最简单、最有效的抑制噪声方法就是将“模拟电路地”和“数字电路地”分开。在多层PCB中，通常会把一层或几层用作“地平面”。假如设计者疏忽的话，很容易将模拟电路直接连到了这些地平面上。毕竟，模拟电路回路和数字电路回路在网表中是同一个网络。自动布线软件会将所有接地端连在一起，从而导致灾难性故障。模拟电路每个接地点必须离开PCB板，然后连接在一起。对于表面安装PCB板，这就会导致“一大堆”矗立的无源器件和浮置的IC引线。
   其它接地原则

■由于解耦电容和分布电容的存在，“地平面”和“电源平面”要保持同一交流电位。因此，将各个电源平面分开是很重要的。

■不要将“数字电路平面”和“模拟电路平面”重叠。将模拟电源、模拟地放在一起，将数字电源、数字地放在一起。假如“数字电路平面”和“模拟电路平面”的某一部分出现了重叠，重叠部分的分布电容会将高速数字噪声耦合进模拟电路中去。这就违反了“将地平面分开”的初衷。“将地平面分开”并非意味着系统中的电气隔离。“地电位”有时就是在一个低阻抗点。从系统的角度看，只有惟一的“地”——它就是交流供电系统的“安全地”或者直流供电系统中的“电池地”。电路中所有的通路都将返回到“地”。发展一门关于“所有电路通路不返回到地”的学科，或许是个好想法吧。所有返回点应当接到一处，它就是“系统地”。有时，“系统地”就是底座。千万要注意——避免采用“多次连接底座”的方法构成接地回路。在系统设计中，最大难点之一就是——确保只存在一个底座接地点。

■尽最大可能将各个独立回路的连接器引脚分开来，仅在“系统地”处将其汇合。连接器老化和反复拔插会增大接触电阻，因此有必要使用多个引脚。许多数字电路板是由多层平面和成千上万网络构成的。增加一个网络不成问题，但是增加几个连接器引脚就困难了。如果无法解决这个问题，那么有必要通过仔细布线将两个回路置于PCB板上的同一网络中。

■千万要将数字信号远离模拟电路部分。假如高速数字线路流经敏感的模拟电路，那么“分开地平面”、“缩短模拟迹线”、“仔细布置无源器件”都将变得毫无意义。数字信号布线必须绕开模拟电路，切忌和“模拟地平面”或“模拟电源平面”重叠。否则，设计原理图里将会出现一个新的电路符号——广播天线！大多数数字时钟的频率相当高，以至迹线和平面间的微量电容就能耦合到相当大的噪声。切记——不仅是时钟基频会带来麻烦，高频谐波也会带来麻烦。

■最好将模拟电路尽可能布置在PCB板的“输入/输出”附近。数字电路设计者，习惯于使用大电流集成电路。他们会采用50米尔宽、几英寸长的迹线去连接模拟电路——觉得这么做能够减小迹线电阻，从而有助于抑制噪声。其实，这么做反倒是制造了一个细长的电容器，将“数字地平面”和“数字电源平面”中的噪声耦合到运算放大器中去——问题因此变得更糟糕!