实用综合教程第二版3:双面电路板的布局艺术

一、自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项

       设计印刷电路板(PCB)时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其是信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。

图1、采用自动布线为图3所示电路图原理图设计的电路板的顶层

图2、采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层

       例如，图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如图2所示，这些布线层的电路原理图如图3a和图3b所示。设计此混合信号电路板时，经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。

       采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地策略。如果在顶层布地线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。当检查这种布线策略时，首先发现的弊端是存在多个地环路。另外，还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。这种接地方案的可取之处是，模拟器件(12位A/D转换器MCP3202和2.5V参考电压源MCP4125)放在电路板的最右侧，这种布局确保了这些模拟晶片下面不会有数字地信号经过。

图3a.图1、图2、图4、和图5中布线的电路原理图。

图3b.图1、图2、图4、图5中布线的模拟部分电路原理图。

图3a和图3b所示电路的手工布线如图4、图5所示。在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则∶

1. 尽量采用地平面作为电流回路。
2. 将模拟地平面和数字地平面分开。
3. 如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直。
4. 模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。

图4、采用手工走线为图3所以电路原理图设计的电路板的顶层。

图5、采用手工走线为图3所以电路原理图设计的电路板的底层。

      请注意，这两种双面板都在底层布有地平面，这种做法是为了方便工程师解决问题，使其可快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰(EMI)。

二、有无地平面时的电流回路设计

对於电流回路，需要注意如下基本事项∶
(1)如果使用走线，应将其尽量加粗。PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗。这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。

图6.如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路

(2)应避免地环路。

(3)如果不能采用地平面，应采用星形连接策略(请参见图6所示的星形连接策略示例)。
通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图6中，您注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循如下第四条和第五条准则，是可以这样做的。

(4) 数字电流不应流经模拟器件。数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现像是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对於地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为V = L*di/dt，其中V是产生的电压，L是地平面或接地走线的感抗，dI是数字器件的电流变化，dt是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为V = RI, 其中，V是产生的电压，R是地平面或接地走线的阻抗，I是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。

(5)高速电流不应流经低速器件。与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对於地平面或接地走线的感抗，V = L*di/dt ；对於地平面或接地走线的阻抗，V = RI 。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。

(6)不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗。

(7)如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用。
分开模拟和数字地平面的有效方法如图7所示。

图7、分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图（b）接地布线策略比图(a)的接地策略理想

图7中，精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法，我们在前面讨论的图4和图5的布线也采用了这种技术。

三 、双面板布线技巧 ──结论
      当我在研讨会上做有关布线报告时，始终有人以各种形式问到这样的问题，“如果管理人员告知我的电路板不能设计成双面板，也不能有地平面，而我需要降低电路的噪声，应该怎么办？这种情况下我应该怎样设计电路呢？”。在这种情况下，我通常都建议问这种问题的人去告诉他们的管理人员，如果要获得可靠的电路性能，至少要有地平面。使用地平面的主要原因是为了降低地阻抗，有人还就地平面可以在多大程度上降低EMI提供了数据。

       但是，如果由於成本限制，您的劝说没有成功，本文则给出了一些建议，如星形网络和电流回路等。这些方法如果正确使用，对降低电路噪声也是有一定作用的