模擬電路印制板的布線設(shè)計

摘要：性能良好的電路裝置離不開PCB線路板正確合理的布線設(shè)計，地線的布線設(shè)計是整個電路布線設(shè)計的基礎(chǔ)?；诖耍饕榻B了模擬電路PCB印制板布線中地線的串聯(lián)布線與并聯(lián)布線，直流電源的布線，單元電路的去耦及回路共用地線阻抗的消除等問題，也介紹了布線設(shè)計的相關(guān)要點(diǎn)，為模擬電路PCB板的布線設(shè)計提供了參考。
關(guān)鍵詞：PCB；布線設(shè)計；回路；共用地線阻抗

0 引言
    如何依據(jù)設(shè)計好的電路原理圖，設(shè)計出電路性能優(yōu)異的PCB印制板圖，是電路設(shè)計師十分重視的問題。模擬電路PCB印制板圖的設(shè)計依據(jù)電路的工作頻率，在排板布線方面有它自身的特點(diǎn)和規(guī)律，文章以收錄機(jī)電路為例就模擬電路PCB印制板的布線工作做一些討論。

1 地線的布線
    電原理圖中的接地符號“┷”表示電路的參考電位，也稱地電位。所有畫“┷”的元件引線都連接在一起，處于同一個電位上，電源的負(fù)極(以下以電池負(fù)極接地為例)也與“┷”符號相連，“┷”符號在這里不代表接地或接機(jī)殼。當(dāng)由電原理圖設(shè)計PCB印制板圖時，將接在參考電位上的所有元件的引腳都用銅箔連在一起，形成地線。由于銅箔有阻抗存在，地線中電流的流動，使地線上的各處電位不再完全相等，對電路的穩(wěn)定工作產(chǎn)生了影響，這種影響在高頻時更顯突出。因此在進(jìn)行PCB印制板的布線時，要充分考慮到電路中的元件在地線中的接入位置和地線阻抗對電路產(chǎn)生的影響，確保電路穩(wěn)定工作。
1．1 低頻模擬電路的地線布線
    低頻模擬電路的地線布置，通常按照電路的走向來安排。一般按小信號至大信號的順序采用串聯(lián)地線的布線方式將各單元電路的地線串接起來，在電源濾波電容的負(fù)極連接，最后與電源地連接。其中各單元電路的交流信號要自成回路并且不和其他回路共用地線。若電路的走向是并聯(lián)關(guān)系，則地線采用并聯(lián)地線的布線方式。

    圖1是一種串聯(lián)地線布線的情況，圖中電路由前置放大電路和功率放大電路(OTL電路)兩部分組成。R1、C1是前置電路的電源去耦元件，C2是電源濾波電容，也起去耦作用。電路中I1、I2是直流電源向前置和功放電路供電的平均電流，i1是前置電路的輸出回路電流，i2、i3是功放輸出電路中的電流，通過電容C1、C2和輸出電容C3各自構(gòu)成了交流回路。r1、r2、r3是印制板銅箔的等效地線阻抗。布線時的要點(diǎn)是：前置級是小信號放大電路，增益較高，最容易受到干擾，前置單元電路內(nèi)部的布線要避免輸入和輸出回路共用地線，還要避免后級功放電路對前置輸入電路的干擾；功放電路是大信號電路，要防止它干擾功放輸入電路和前置級電路。從圖中可以看到前置電路的i1經(jīng)過C1構(gòu)成了交流回路，功放電路的i2經(jīng)過C2和C3構(gòu)成了交流回路，i3也自成回路，這三個回路的電流都沒有流經(jīng)r1，I1、I2也沒有流經(jīng)r1，信號源u(t)在加到前置放大電路輸入端1、2腳的路經(jīng)上，沒有受到后級電路的干擾；大電流i2、i3也沒有流過r2，沒有對功放輸入電路造成干擾。各單元電路的地線阻抗r1、r2、r3按串聯(lián)形式連接到濾波電容C2的負(fù)極，電源的負(fù)極也連接在C2的負(fù)極。整個電路地線布置是合理的。一種不合理的地線布置例子是將電容C2接在u(t)的接地端(圖1的a點(diǎn)處)，使r1中有大電流i2流過，產(chǎn)生的干擾電壓與信號源u(t)串聯(lián)后加到前置電路輸入端1、2腳，將使整個電路不能正常工作。
    如果整體電路中有分支電路，則在電路的分支處匯合地線，形成并聯(lián)地線連接；對于整體電路中的獨(dú)立單元電路，可以把它的地線直接連接到電源濾波電容的負(fù)極形成并聯(lián)地線形式。圖2是并聯(lián)地線布線的情況，圖中的收音電路、放音電路分別與低放電路構(gòu)成收音和放音兩種工作模式，這2部分電路的地線在低放的輸入端地線處匯合形成并聯(lián)地線連接，電機(jī)控制電路構(gòu)成獨(dú)立單元電路，與收音、放音電路沒有信號傳遞關(guān)系，它的地線直接連接在電源濾波電容的負(fù)極形成并聯(lián)地線。

    單元電路內(nèi)部在布線時要將輸入電路接地元件的接地點(diǎn)接在輸入回路地線上，輸出電路接地元件的接地點(diǎn)接在輸出回路地線上，兩個回路不要有共用地線部分，尤其是高增益電路更應(yīng)該注意。對于集成電路應(yīng)在接地引腳處劃分輸入地和輸出地，若集成電路有輸入地和輸出地2個引腳，則電路接地元件的接地端接對應(yīng)的集成電路引腳，再將兩引腳連接。
1．2 高、中頻模擬電路的地線布線
    高、中頻電路的地線布線原則上也要按電路走向布置。其中的每一級電路要構(gòu)成交流回路，接地元件應(yīng)連接在一段相對獨(dú)立的地線上，不與前后級共用地線。按電路的高頻、中頻、解調(diào)的走向順序連接地線，最后接入低頻放大器輸入地。對于FM波段甚高頻電路，電路的分布參數(shù)影響很大，地線必須寬而短，否則就會形成可觀的電感，呈現(xiàn)較大的感抗，很容易形成前后級耦合，使電路工作不穩(wěn)定。為了減小分布電感，布線時常采用大面積地線的形式，除電路連接點(diǎn)和走線外，將空白處全部鋪銅，減少地線的阻抗。
1．3 消除共用地線阻抗帶來的干擾
    電路中的高放大倍數(shù)的電路或大電流輸出的電路，輸入及輸出回路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免共用地線阻抗的產(chǎn)生。圖3(a)中的回路1是小信號輸入回路，回路2是大電流輸出回路，它們共用ab段地線阻抗，回路2中大電流i2在地線阻抗上產(chǎn)生的電壓加到回路1中與u(t)串聯(lián)，對回路1形成干擾。圖3(b)在a點(diǎn)處將輸入和輸出電路分開走線，消除了回路2對回路1的干擾。

    總之模擬電路的地線按照電路的走向一般采用串聯(lián)布線的形式，在有電路分支的地方，形成并聯(lián)地線，最后在電源濾波電容負(fù)極處匯合再與電源地連接。電路中的各單元電路要構(gòu)成交流回路，不與其它回路通過共用地線產(chǎn)生耦合。

2 電源供電的布線
    在圖4(a)的電路框圖中，阻抗r0是電源濾波電容器C3與前置、線路放大、功放電路供電端之間的一段共用的印制板銅箔的等效阻抗，對上述電路供電的電流要在r0上產(chǎn)生壓降，這個壓降隨供電電流的變化而變化，對于從B點(diǎn)給收音單元供電來說，就相當(dāng)于提供了一個電壓波動的電源。為了消除阻抗r0的影響，正確合理的供電應(yīng)該是從A點(diǎn)引出的虛線L1，因A點(diǎn)的交流阻抗最低，該點(diǎn)的對地交流壓降最小。功放電路所需要的電流較大，在r0上會產(chǎn)生更大的壓降，所以它的供電端也應(yīng)從A點(diǎn)引出，見圖中虛線L2。由A點(diǎn)向各單元電路供電能減少供電帶來的波動。通常PCB板在電源濾波電容處采用分支狀的布線方法向各分支電路供電，就是為了消除供電線路阻抗的影響，特別是向功放部分的供電直接從電容正極引出，見圖4(b)。

    對于放大電路單元來說，電路要完成信號放大并傳向后級，并避免將放大的交流信號流經(jīng)電源內(nèi)阻，形成級間的耦合干擾。這就要求放大電路自身對信號要構(gòu)成交流回路，并且這個交流回路不包含直流電源，圖4(a)電路中的電容器C1、C2、C3在工作頻率范圍內(nèi)對信號是短路的，它們分別構(gòu)成了前置、線路放大、功放電路的交流回路。實際的電路中由于C3的阻抗不能完全為零和電源存在有內(nèi)阻，功放電路交流電流會在其上產(chǎn)生壓降，通過供電線路向線路放大電路、前置電路反饋，會影響整個電路的正常工作。為了消除這種耦合的影響，電路中使用了R2、C2組成的濾波電路，因此R2、C2是線路放大的去耦電路，R1、C1是前置電路的去耦電路。

3 布線中要注意的幾點(diǎn)
    (1)布線中要求回路的交流電流路徑所包含的面積要小，這可把回路看成單匝線圈，回路之間通過它們的互感會產(chǎn)生耦合形成干擾。回路的面積小，回路之間就可以遠(yuǎn)離或不重疊，可以減少相互之間的干擾。
    (2)對集成電路應(yīng)在電源端加R、C去耦電路，電容的接地點(diǎn)應(yīng)接在本級輸出地線上，以構(gòu)成交流回路。
    (3)電平相差較大的導(dǎo)線要分開走線，避免強(qiáng)信號通過電路板的分布電容干擾弱信號。
    (4)輸入信號線與輸出信號線盡可能遠(yuǎn)離，特別是在電路增益較高時輸出信號通過分布電容與輸入電路之間形成反饋，引起電路工作的不穩(wěn)定而產(chǎn)生自激。
    (5)電源電路、功放電路遠(yuǎn)離小信號電路，避免噪聲串入到小信號電路中。在空間有限的情況下特別要注意變壓器的漏磁對小信號電路和磁性元件的影響。
    (6)無屏蔽的高頻電感線圈可通過調(diào)整其在線路板上的位置減少相互之間的磁耦合，或外界磁場對它的干擾。

4 結(jié)束語
    電路中多數(shù)元器件都要通過地線形成回路，合理地布置地線能使回路之間消除地線共用，避免回路之間產(chǎn)生干擾；各單元電路供電點(diǎn)應(yīng)選在交流阻抗最小的濾波電容處；去耦電路的合理使用能消除由于電源內(nèi)阻的存在而在單元電路之間產(chǎn)生耦合的影響，它也是構(gòu)成電路回路的元件。只有合理地安排各單元電路在整機(jī)中的位置及合理地進(jìn)行整機(jī)PCB布線，這樣設(shè)計出的PCB印制板，才能充分發(fā)揮出電路的性能。