虽然印制电路板(PCB)布线在高速电路中具有关键的作用，但它往往是电路设计过程的最后几个步骤之一。高速PCB布线有很多方面的问题，关于这个题目已有人撰写了大量的文献。本文主要从实践的角度来探讨高速电路的布线问题。主要目的在于帮助新用户设计高速电路PCB布线时对需要考虑的多种不同问题引起注意。另一个目的是为已经有一段时间没接触PCB布线的客户提供一种复习资料。由于版面有限，本文不可能详细地论述所有的问题，但是我们将讨论对提高电路性能、缩短设计时间、节省修改时间具有最大成效的关键部分。

虽然这里主要针对与高速运算放大器有关的电路，但是这里所讨论的问题和方法对用于大多数其它高速模拟电路的布线是普遍适用的。当运算放大器工作在很高的射频(RF)频段时，电路的性能很大程度上取决于PCB布线。“图纸”上看起来很好的高性能电路设计，如果由于布线时粗心马虎受到影响，最后只能得到普通的性能。在整个布线过程中预先考虑并注意重要的细节会有助于确保预期的电路性能。

原理图

尽管优良的原理图不能保证好的布线，但是好的布线开始于优良的原理图。在绘制原理图时要深思熟虑，并且必须考虑整个电路的信号流向。如果在原理图中从左到右具有正常稳定的信号流，那么在PCB上也应具有同样好的信号流。在原理图上尽可能多给出有用的信息。因为有时候电路设计工程师不在，客户会要求我们帮助解决电路的问题，从事此工作的设计师、技术员和工程师都会非常感激，也包括我们。

除了普通的参考标识符、功耗和误差容限外，原理图中还应该给出哪些信息呢？下面给出一些建议，可以将普通的原理图变成一流的原理图。加入波形、有关外壳的机械信息、印制线长度、空白区；标明哪些元件需要置于PCB上面；给出调整信息、元件取值范围、散热信息、控制阻抗印制线、注释、扼要的电路动作描述......以及其它。

谁都别信

如果不是你自己设计布线，一定要留出充裕的时间仔细检查布线人的设计。在这点上很小的预防抵得上一百倍的补救。不要指望布线的人能理解你的想法。在布线设计过程的初期你的意见和指导是最重要的。你能提供的信息越多，并且整个布线过程中你介入的越多，结果得到的PCB就会越好。给布线设计工程师设置一个暂定的完成点——按照你想要的布线进展报告快速检查。这种“闭合环路”方法可以防止布线误入歧途，从而将返工的可能性降至最低。

需要给布线工程师的指示包括：电路功能的简短描述，标明输入和输出位置的PCB略图，PCB层叠信息(例如，板子有多厚，有多少层，各信号层和接地平面的详细信息——功耗、地线、模拟信号、数字信号和RF信号)；各层需要那些信号；要求重要元件的放置位置；旁路元件的确切位置；哪些印制线很重要；哪些线路需要控制阻抗印制线；哪些线路需要匹配长度；元件的尺寸；哪些印制线需要彼此远离(或靠近)；哪些线路需要彼此远离(或靠近)；哪些元器件需要彼此远离(或靠近)；哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面。永远不要抱怨需要给别人的信息太多—太少吗？是；太多吗？不。

一条学习经验：大约10年前，我设计一块多层的表面贴装电路板——板子的两面都有元件。用很多螺钉将板子固定在一个镀金的铝制外壳中(因为有很严格的防震指标)。提供偏置馈通的引脚穿过板子。该引脚是通过焊接线连接到PCB上的。这是一个很复杂的装置。板子上的一些元件是用于测试设定(SAT) 的。但是我已经明确规定了这些元件的位置。你能猜出这些元件都安装在什么地方吗？对了，在板子的下面。当产品工程师和技术员不得不将整个装置拆开，完成设定后再将它们重新组装的时候，显得很不高兴。从那以后我再也没有犯过这种错误了。

位置

正像在PCB中，位置决定一切。将一个电路放在PCB上的什么位置，将其具体的电路元件安装在什么位置，以及其相邻的其它电路是什么，这一切都非常重要。

通常，输入、输出和电源的位置是预先确定好的，但是它们之间的电路就需要“发挥各自的创造性”了。这就是为什么注意布线细节将产生巨大回报的原因。从关键元件的位置入手，根据具体电路和整个PCB来考虑。从一开始就规定关键元件的位置以及信号的路径有助于确保设计达到预期的工作目标。一次就得到正确的设计可以降低成本和压力——也就缩短了开发周期。

旁路电源

在放大器的电源端旁路电源以便降低噪声是PCB设计过程中一个很重要的方面——包括对高速运算放大器还是其它的高速电路。旁路高速运算放大器有两种常用的配置方法。

电源端接地：这种方法在大多数情况下都是最有效的，采用多个并联电容器将运算放大器的电源引脚直接接地。一般说来两个并联电容就足够了——但是增加并联电容器可能给某些电路带来益处。

并联不同的电容值的电容器有助于确保电源引脚在很宽的频带上只能看到很低的交流(AC)阻抗。这对于在运算放大器电源抑制比(PSR)衰减频率处尤其重要。该电容器有助于补偿放大器降低的PSR。在许多十倍频程范围内保持低阻抗的接地通路将有助于确保有害的噪声不能进入运算放大器。图1示出了采用多个并联电容器的优点。在低频段，大的电容器提供低阻抗的接地通路。但是一旦频率达到了它们自身的谐振频率，电容器的容性就会减弱，并且逐渐呈现出感性。这就是为什么采用多个电容器是很重要的原因：当一个电容器的频率响应开始下降时，另一个电容器的频率响应开始起作用，所以能在许多十倍频程范围内保持很低的AC阻抗。

下面是我对电源回流的理解，跟大家分享一下^_^(其中介绍的一些处理方法在国内外很多高速PCB电路里都有应用的)

这里简单构造了一个“场景”，结合下图介绍一下地回流和电源回流以及一些跨分割问题。为方便作图，把层间距放大。

IC1为信号输出端，IC2为信号输入端(为简化PCB模型，假定接收端内含下接电阻)第三层为地层。IC1和IC2的地均来自于第三层地层面。顶层右上角为一块电源平面，接到电源正极。C1和C2分别为IC1、IC2的退耦电容。图上所示的芯片的电源和地脚均为发、收信号端的供电电源和地。

在低频时，如果S1端输出高电平，整个电流回路是电源经导线接到VCC电源平面，然后经橙色路径进入IC1，然后从S1端出来，沿第二层的导线经R1端进入IC2，然后进入GND层，经红色路径回到电源负极。

但在高频时，PCB所呈现的分布特性会对信号产生很大影响。我们常说的地回流就是高频信号中经常要遇到的一个问题。当S1到R1的信号线中有增大的电流时，外部的磁场变化很快，会使附近的导体感应出一个反向的电流。如果第三层的地平面是完整的地平面的话，那么会在地平面上会有一个蓝色虚线标示的电流；如果TOP层有一个完整的电源平面的话，也会在顶层有一个沿蓝色虚线的回流。此时信号回路有最小的电流回路，向外辐射的能量最小，耦合外部信号的能力也最小。(高频时的趋肤效应也是向外辐射能量最小，原理是一样的。)

由于高频信号电平和电流变化都很快，但是变化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和离芯片最近的退耦电容取电的。当C1足够大，而且反应又足够快(有很低的ESR值，通常用瓷片电容。瓷片电容的ESR远低于钽电容。)，位于顶层的橙色路径和位于GND层的红色路径可以看成是不存在的(存在一个和整板供电对应的电流，但不是与图示信号对应的电流)。

因此，按图中构造的环境，电流的整个通路是：由C1的正极->IC1的VCC->S1->L2信号线->R1->IC2的GND->过孔->GND层的黄色路径->过孔->电容负极。可以看到，电流的垂直方向有一个棕色的等效电流，中间会感应出磁场，同时，这个环面也能很容易的耦合到外来的干扰。如果和图中信号为一条时钟信号，并行有一组8bit的数据线，由同一芯片的同一电源供电，电流回流途径是相同的。如果数据线电平同时同向翻转的话，会使时钟上感应一个很大的反向电流，如果时钟线没有良好的匹配的话，这个串扰足以对时钟信号产生致命影响。这种串扰的强度不是和干扰源的高低电平的绝对值成正比，而是和干扰源的电流变化速率成正比，对于一个纯阻性的负载来说，串扰电流正比于dI/dt=dV/(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (电流变化速率)、dV(干扰源的摆幅)和R(干扰源负载)都是指干扰源的参数(如果是容性负载的话，dI/dt是与T10%-90%的平方成反比的。)。从式中可以看出，低速的信号未必比高速信号的串扰小。也就是我们说的：1kHZ的信号未必是低速信号，要综合考虑沿的情况。对于沿很陡的信号，是包含很多谐波成分的，在各倍频点都有很大的振幅。因此，在选器件的时候也要注意一下，不要一味选开关速度快的芯片，不仅成本高，还会增加串扰以及EMC问题。

任何相邻的电源层或其它的平面，只要在信号两端有合适的电容提供一个到GND的低电抗通路，那么这个平面就可以作为这个信号的回流平面。在平常的应用中，收发对应的芯片IO电源往往是一致的，而且各自的电源与地之间一般都有0.01-0.1uF的退耦电容，而这些电容也恰恰在信号的两端，所以该电源平面的回流效果是仅次于地平面的。而借用其他的电源平面做回流的话，往往不会在信号两端有到地的低电抗通路。这样，在相邻平面感应出的电流就会寻找最近的电容回到地。如果这个“最近的电容”离始端或终端很远的话，这个回流也要经过“长途跋涉”才能形成一个完整的回流通路，而这个通路也是相邻信号的回流通路，这个相同的回流通路和共地干扰的效果是一样的，等效为信号之间的串扰。

对于一些无法避免的跨电源分割的情况，可以在跨分割的地方跨接电容或RC串联构成的高通滤波器(如10欧电阻串680p电容，具体的值要依自己的信号类型而定，即要提供高频回流通路，又要隔离相互平面间的低频串扰)。这样可能会涉及到在电源平面之间加电容的问题，似乎有点滑稽，但肯定是有效的。如果一些规范上不允许的话，可以在分割处两平面分别引电容到地。
对于借用其它平面做回流的情况，最好能在信号两端适当增加几个小电容到地，提供一个回流通路。但这种做法往往难以实现。因为终端附近的表层空间大多都给匹配电阻和芯片的退耦电容占据了。

时间原因就先写这些…如果有遗漏或错误的地方请大家提醒。共同学习提高^_^。 

在电路设计的时候，在一块PCB板上存在多种电源、多种地的情况越来越多，例如48V,12V-12V,5V,-5V,3.3V,2.5V,1.8V1.5V等电源中常见的种类，AGND（模拟地）DGND（数字地）、PGND（保护地）等不同功能所需的地平面纵横交错，一部分IC明确要求本IC要进行单点接地，以及所需的电源、地平面挖空。为了保证这些地、电源都有高的可靠性，将每一种电源、地分配一层，即一个平面，必然导致电路板叠层的增加，电路板制作的成本大幅度升高。前面说过，电路板的制作成本和叠层数成正比。为了兼顾节约成本和保证电路板的可靠性，工程师在PCB设计的时候，会按照电路板的特点、将两种或者几种PCB的电源或地设计在同一个平面上，从而导致了电源、地平面的不完整，即地（电源）层分割。

一、PCB板的跨分割设计
电路上PCB走线穿过地（电源）层分割，信号的完整性会受到很大的影响，以及电路的EMI和EMC特性也发生变化，这就是跨分割问题。这些也往往是电子工程师容易忽略的问题。跨分割问题的产生主要有两个来源：

1、电源/地平面的分割
如图4-12所示，在同一层（地层）上有模拟地和数字地的分割。当PCB走线穿过这个分割带时，跨分割问题产生了。

2、密集过孔或密集插装（压接）器件管脚定义不当造成的分割
密集过孔或密集插装（压接）器件在管脚定义时如果分布得不合理，而管脚之间的距离很小，会在地层或者定义层造成了一个狭长的隔离带。如果有走线穿过这个分割，就造成做跨分割现象。
我们先看看如图4-13所示的走线。

这些布线表面上无可挑剔：整齐，漂亮，也是一般电子或电路工程师所喜欢的布线方式。我们再看一下这些过孔对应区域的电源/地平面（图6-14），就会发现产生了电源、地层分割问题。

在图4-13 中，由于过孔间距过近，在电源/地平面上造成一条长长分割带，如图4-14所示，如果有走线穿过这个分割带时，跨分割问题也产生了。这类问题主要出现在电路中总线布线时容易出现，必须引起广大工程师的注意。

同样地，当通孔（包括焊盘和过孔）穿过地/电源平面时，如果通孔之间的距离靠得过近，上述问题也就同样出现了。这类问题主要出现在密集插装（压接）器件管脚定义不当时容易出现。因此，在定义密集插装（压接）器件管脚信号时，不仅要考虑信号的个数种类，还必须考虑信号总线的排列方式，避免对电源、地平面造成分割带来跨分割问题。

二、PCB板的跨分割走线的危害
跨分割走线的主要危害包括：
（1）导致走线的阻抗不连续；
（2）容易使信号之间发生串扰；
（3）可能引起信号的反射；
（4）增大电流环路面积，加大环路电感，使输出的波形容易振荡；
（5）增加向空间的辐射干扰，同时易受空间磁场的影响；
（6）加大与板上其他电路产生磁场耦合的可能性；
（7）环路电感上的高频压降构成共模辐射源，并通过外接电缆产生共模辐射。
为了形象地描述跨分割走线对电路的危害，我们用图4-15给出了一个地槽引起高频信号产生串扰的示意图。

对于需要严格的阻抗控制、按带状线模型走线的高速信号线而言，还会因为上平面、下平面或上下平面的开槽破坏带状线模型，造成阻抗的不连续，引起严重的信号失真，使信号的可靠度下降。
为了形象地描述跨分割走线对电磁干扰的影响，笔者进行“了试验对比。从对比的结果很容易看到跨分割的影响。
在一块PCB板上布了两根走线，两者激励源相同，负载完全一样，均走在同一布线层，长度均为6000MIL，惟一不同的是，一个跨了平面分割，另外一个参考平面完整。通过开关切换，在保证外部条件完全相同的情况下，分别让其中的一个网络上电，在半波暗室测试结果如下：
从图4-16和图4-17可以清楚地看出：信号跨分割区会增加辐射8dB-10dB；具体增加的辐射强度取决于跨分割导致的回流路径回路面积的大小，也与周围的电磁干扰环境有关。如果一条时钟线在对外接口线缆附近跨分割布线，其导致的电磁干扰强度可能超过20dB。由此可见跨分割布线会造成很大的电磁干扰，不仅干扰自身，同时它的电磁辐射还会对周围其他的电路或系统造成干扰。因此，我们在布线的时候一定要注意，尽量避免跨分割走线。

三、PCB板避免跨分割的办法
跨分割走线给电路带来很大的危害，我们在实际电路的时候，应该尽量避免造成跨分割现象，主要注意以下几点：
（1）走线避免穿越分割带，走线的时候考虑地、电源的分割，让走线绕开电源的分割问题，
也可以增加电路的叠层数来避免跨分割问题。
（2）通常布线的时候，电源分割是在不信号线之后设计，做电源或地分割时，一定要注意在地、电源分割的时候，会对哪些信号造成影响，会造成哪些信号线的跨分割走线，哪些是我们可以避免的，注意适当地调整地、电源分割。
（3）过孔设计和散孔不应过于密集，造成地、电源平面的隔离带。
（4）插装器件或者接插件在定义时，要分布地合理，充分考虑对地、电源平面的影响，是否造成分割，导致EMI增强。