如何降低PCB互連設計RF效應小技巧

電路板系統的互連包括:晶片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。在RF設計中,互連點處的電磁特性是工程設計面臨的主要問題之一,本文介紹上述三類互連設計的各種技巧,內容涉及器件安裝方法、布線的隔離以及減少引線電感的措施等等。目前有跡象表明,印刷電路板設計的頻率越來越高。隨著數據速率的不斷增長,數據傳送所要求的帶寬也促使信號頻率上限達到1GHz,甚至更高。這種高頻信號技術雖然遠遠超出毫米波技術範圍(30GHz),但的確也涉及RF和低端微波技術。RF工程設計方法必須能夠處理在較高頻段處通常會產生的較強電磁場效應。這些電磁場能在相鄰信號線或PCB線上感生信號,導致令人討厭的串擾(干擾及總噪聲),並且會損害系統性能。回損主要是由阻抗失配造成,對信號產生的影響如加性噪聲和干擾產生的影響一樣。高回損有兩種負面效應:1.信號反射回信號源會增加系統噪聲,使接收機更加難以將噪聲和信號區分開來;2.任何反射信號基本上都會使信號質量降低,因為輸入信號的形狀出現了變化。儘管由於數字系統只處理1和0信號並具有非常好的容錯性,但是高速脈衝上升時產生的諧波會導致頻率越高信號越弱。儘管前向糾錯技術可以消除一些負面效應,但是系統的部分帶寬用於傳輸冗餘數據,從而導致系統性能的降低。一個較好的解決方案是讓RF效應有助於而非有損於信號的完整性。建議數字系統最高頻率處(通常是較差數據點)的回損總值為-25dB,相當於VSWR為1.1。PCB設計的目標是更小、更快和成本更低。對於RFPCB而言,高速信號有時會限制PCB設計的小型化。目前,解決串擾問題的主要方法是進行接地層管理,在布線之間進行間隔和降低引線電感(studcapacitance)。降低回損的主要方法是進行阻抗匹配。此方法包括對絕緣材料的有效管理以及對有源信號線和地線進行隔離,尤其在狀態發生跳變的信號線和地之間更要進行間隔。由於互連點是電路鏈上最為薄弱的環節,在RF設計中,互連點處的電磁性質是工程設計面臨的主要問題,要考察每個互連點並解決存在的問題。電路板系統的互連包括晶片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部裝置之間信號輸入/輸出等三類互連。一、晶片到PCB板間的互連Pentium IV以及包含大量輸入/輸出互連點的高速晶片已經面世。就晶片本身而言,其性能可靠,並且處理速率已經能夠達到1GHz。在最近GHz互連研討會上,最令人激動之處在於:處理I/O數量和頻率不斷增長問題的方法已經廣為人知。晶片與PCB互連的最主要問題是互連密度太高會導致PCB材料的基本結構成為限制互連密度增長的因素。會議上提出了一個創新的解決方案,即採用晶片內部的本地無線發射器將數據傳送到鄰近的電路板上。無論此方案是否有效,與會人員都非常清楚:就高頻應用而言,IC設計技術已遠遠領先於PCB設計技術。二、PCB板內互連進行高頻PCB設計的技巧和方法如下:1. 傳輸線拐角要採用45°角,以降低回損(圖1);2. 要採用絕緣常數值按層次嚴格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利於對絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場進行有效管理。3. 要完善有關高精度蝕刻的PCB設計規範。要考慮規定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對布線形狀的下切(undercut)和橫斷面進行管理並指定布線側壁電鍍條件。對布線(導線)幾何形狀和塗層表面進行總體管理,對解決與微波頻率相關的趨膚效應問題及實現這些規範相當重要。4. 突出引線存在抽頭電感,要避免使用有引線的組件。高頻環境下,最好使用表面安裝組件。5. 對信號過孔而言,要避免在敏感板上使用過孔加工(pth)工藝,因為該工藝會導致過孔處產生引線電感。如一個20層板上的一個過孔用於連接1至3層時,引線電感可影響4到19層。6. 要提供豐富的接地層。要採用模壓孔將這些接地層連接起來防止3維電磁場對電路板的影響。7. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝,不要採用HASL法進行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(圖2)。此外,這種高可焊塗層所需引線較少,有助於減少環境污染。8. 阻焊層可防止焊錫膏的流動。但是,由於厚度不確定性和絕緣性能的未知性,整個板表面都覆蓋阻焊材料將會導致微帶設計中的電磁能量的較大變化。一般採用焊壩(solderdam)來作阻焊層。如果你不熟悉這些方法,可向曾從事過軍用微波電路板設計的經驗豐富的設計工程師諮詢。你還可同他們討論一下你所能承受的價格範圍。例如,採用背面覆銅共面(copper-backedcoplanar)微帶設計比帶狀線設計更為經濟,你可就此同他們進行討論以便得到更好的建議。優秀的工程師可能不習慣考慮成本問題,但是其建議也是相當有幫助的。現在要儘量對那些不熟悉RF效應、缺乏處理RF效應經驗的年輕工程師進行培養,這將會是一項長期工作。此外,還可以採用其他解決方案,如改進計算機型,使之具備RF效應處理能力。三、PCB與外部裝置互連現在可以認為我們解決了板上以及各個分立組件互連上的所有信號管理問題。那麼怎麼解決從電路板到連接遠端器件導線的信號輸入/輸出問題呢?同軸電纜技術的創新者TrompeterElectronics公司正致力於解決這個問題,並已經取得一些重要進展(圖3)。 另外,看一下圖4中給出的電磁場。這種情況下,我們管理著微帶到同軸電纜之間的轉換。在同軸電纜中,地線層是環形交織的,並且間隔均勻。在微帶中,接地層在有源線之下。這就引入了某些邊緣效應,需在設計時了解、預測並加以考慮。當然,這種不匹配也會導致回損,必須最大程度減小這種不匹配以避免產生噪音和信號干擾。電路板內阻抗問題的管理並不是一個可以忽略的設計問題。阻抗從電路板表層開始,然後通過一個焊點到接頭,最後終結於同軸電纜處。由於阻抗隨頻率變化,頻率越高,阻抗管理越難。在寬帶上採用更高頻率來傳輸信號的問題看來是設計中面臨的主要問題。

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