印制电路板（PCB）布线在高速电路中具有关键的作用，但它常常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，关于这个标题已有人撰写了大量的文献。本文主要从理论的角度来讨论高速电路的布线问题。主要目的在于协助新用户当设计高 速电路PCB布线时对需求思索的多种不同问题惹起留意。另一个目的是为曾经有一段时间没接触PCB布线的客户提供一种温习材料。由于版面有限，本文不可能 细致地阐述一切的问题，但是我们将讨论对进步电路性能、缩短设计时间、俭省修正时间具有最大效果的关键局部。

固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办法对用于大多数其它高速模仿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 性能很大水平上取决于PCB布线。“图纸”上看起来很好的高性能电路设计，假如由于布线时大意马虎遭到影响，最后只能得到普通的性能。在整个布线过程中预 先思索并留意重要的细节会有助于确保预期的电路性能。

原理图

虽然优秀的原理图不 能保证好的布线，但是好的布线开端于优秀的原理图。在绘制原理图时要深思熟虑，并且必需思索整个电路的信号流向。假如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。由于有时分电路设计工程师不在，客户会请求我们协助处理电路的问题，从 事此工作的设计师、技术员和工程师都会十分感谢，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？下面给出一些倡议，能够将普通的原理图变成一流的原理图。参加波形、有关外壳的机械信息、印制线长度、空白区；标明哪些元件需求置于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、扼要的电路动作描绘……（以及其它）。

谁都别信

假如不是你本人设计布线，一定要留出富余的时间认真检查布线人的设计。在这点上很小的预防抵得上一百倍的弥补。不要希望布线的人能了解你的想法。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——依照你想要的布线停顿报告快速检查。这种“闭合环路”办法能够避免布线误入歧途，从而将返工的可能性降至最低。

需求给布 线工程师的指示包括：电路功用的简短描绘，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，有几层，各信号层和接地平面的细致信息 ——功耗、地线、模仿信号、数字信号和RF信号）；各层需求那些信号；请求重要元件的放置位置；旁路元件确实切位置；哪些印制线很重要；哪些线路需求控制 阻抗印制线；哪些线路需求匹配长度；元件的尺寸；哪些印制线需求彼此远离（或靠近）；哪些线路需求彼此远离（或靠近）；哪些元器件需求彼此远离（或靠 近）；哪些元器件要放在PCB的上面，哪些放在下面。永远不要埋怨需求给他人的信息太多——太少吗？是；太多吗？不。

一条学习经历：大 约10年前，我设计一块多层的外表贴电路板——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（由于有很严厉的防震指标）。提供偏置馈 通的引脚穿过板子。该引脚是经过焊接线衔接到PCB上的。这是一个很复杂的安装。板子上的一些元件是用于测试设定（SAT）的。但是我曾经明白规则了这些 元件的位置。你能猜出这些元件都装置在什么中央吗？对了，在板子的下面。当产品工程师和技术员不得不将整个安装拆开，完成设定后再将它们重新组装的时分， 显得很不快乐。从那以后我再也没有犯过这种错误了。

位置

正像在PCB中，位置决议一切。将一个电路放在PCB上的什么位置，将其详细的电路元件装置在什么位置，以及其相邻的其它电路是什么，这一切都十分重要。

通常，输入、输出和电源的位置是预先肯定好的，但是它们之间的电路就需求“发挥各自的发明性”了。这就是为什么留意布线细节将产生宏大报答的缘由。从关 键元件的位置动手，依据详细电路和整个PCB来思索。从一开端就规则关键元件的位置以及信号的途径有助于确保设计到达预期的工作目的。一次就得到正确的设 计能够降低本钱和压力——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办法。

电源端接地：这种办法在大多数状况下都是最有效的，采用多个并联电容器将运算放大器的电源引脚直接接地。普通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好处。

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。这关于在运算放大器电源抑止比（PSR）衰减频率处特别重 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坚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。但是一旦频率到达了它们本身的谐振频率，电容器的容性就会削弱，并且逐步呈现出理性。这就是 为什么采用多个电容器是很重要的缘由：当一个电容器的频率响应开端降落时，另一个电容器的频率响应开端其作用，所以能在许多十倍频程范围内坚持很低的AC 阻抗。

图1. 电容器的阻抗与频率的关系。

直接从运算放大器的电源引脚动手；具有最小电容值和最小物理尺寸的电容器应当与运算放大器置于PCB的同一面——而且尽可能靠近放大器。电容器的接地端 应该用最短的引脚或印制线直接连至接地平面。上述的接地衔接应该尽可能靠近放大器的负载端以便减小电源端和接地端之间的干扰。图2示出了这种衔接办法。

图2. 旁路电源端和地的并联电容器。

关于次大电容值的电容器应该反复这个过程。最好从0.01 µF最小电容值开端放置，并且靠近放置一个2.2 µF（或大一点儿）的具有低等效串联电阻（ESR）的电解电容器。采用0508外壳尺寸的0.01 µF电容用具有很低的串联电感和优秀的高频性能。

电源端到电源端：另外一种配置办法采用一个或多个旁路电容跨接在运算放大器的正电源端和负电源端之间。当在电路中配置四个电容器很艰难的状况下通常采用 这种办法。它的缺陷是电容器的外壳尺寸可能增大，由于电容器两端的电压是单电源旁路办法中电压值的两倍。增大电压就需求进步器件的额定击穿电压，也就是要 增大外壳尺寸。但是，这种办法能够改良PSR和失真性能。

由于每种电路和布线都是不同的，所以电容器的配置、数量和电容值都要依据实践电路的请求而定。

寄生效应

所谓寄生效应就是那些溜进你的PCB并在电路中大施毁坏、头痛令人、缘由不明的小毛病（依照字面意义）。它们就是渗入高速电路中躲藏的寄生电容和寄生电 感。其中包括由封装引脚和印制线过长构成的寄生电感；焊盘到地、焊盘到电源平面和焊盘到印制线之间构成的寄生电容；通孔之间的互相影响，以及许多其它可能 的寄生效应。图3（a）示出了一个典型的同相运算放大器原理图。但是，假如思索寄生效应的话，同样的电路可能会变成图3（b）那样。

图3. 典型的运算放大器电路，（a）原设计图，（b）思索寄生效应后的图。

在高速电路中，很小的值就会影响电路的性能。有时分几十个皮法（pF）的电容就足够了。相关实例：假如在反相输入端仅有1 pF的附加寄生电容，它在频率域能够惹起差不多2 dB的尖脉冲（见图4）。假如寄生电容足够大的话，它会惹起电路的不稳定和振荡。

图4. 由寄生电容惹起的附加尖脉冲。

当寻觅有问题的寄生源时，可能用得着几个计算上述那些寄生电容尺寸的根本公式。公式（1）是计算平行极板电容器（见图5）的公式。

（1）

C表示电容值，A表示以cm2为单位的极板面积，k表示PCB资料的相对介电常数，d表示以cm为单位的极板间间隔。

图5. 两极板间的电容。

带状电感是另外一种需求思索的寄生效应，它是由于印制线过长或缺乏接地平面惹起的。式（2）示出了计算印制线电感（Inductance）的公式。参见图6。

（2）

W表示印制线宽度，L表示印制线长度，H表示印制线的厚度。全部尺寸都以mm为单位。

图6. 印制线电感。

图7中的振荡示出了高速运算放大器同相输入端长度为2.54 cm的印制线的影响。其等效寄生电感为29 nH（10－9H），足以形成持续的低压振荡，会持续到整个瞬态响应周期。图7还示出了如何应用接地平面来减小寄生电感的影响。

图7. 有接地平面和没有接地平面的脉冲响应。

通孔是另外一种寄生源；它们能惹起寄生电感和寄生电容。公式（3）是计算寄生电感的公式（参见图8）。

（3）

T表示PCB的厚度，d表示以cm为单位的通孔直径。

图8. 通孔尺寸。

公式（4）示出了如何计算通孔（参见图8）惹起的寄生电容值。

（4）

εr表示PCB资料的相对磁导率。T表示PCB的厚度。D1表示环绕通孔的焊盘直径。D2表示接地平面中隔离孔的直径。一切尺寸均以cm为单位。在一块0.157 cm厚的PCB上一个通孔就能够增加1.2 nH的寄生电感和0.5 pF的寄生电容；这就是为什么在给PCB布线时一定要时辰坚持警戒的缘由，要将寄生效应的影响降至最小。

接地平面

实践上需求讨论的内容远不止本文提到的这些，但是我们会重点突出一些关键特性并鼓舞读者进一步讨论这个题。本文的最后列出有关的参考文献。

接地平面起到公共基准电压的作用，提供屏蔽，可以散热和减小寄生电感（但它也会增加寄生电容）的功用。固然运用接地平面有许多益处，但是在完成时也必需当心，由于它对可以做的和不可以做的都有一些限制。

理想状况下，PCB有一层应该特地用作接地平面。这样当整个平面不被毁坏时才会产生最好的结果。千万不要挪用此专用层中接地平面的区域用于衔接其它信 号。由于接地平面能够消弭导体和接地平面之间的磁场，所以能够减小印制线电感。假如毁坏接地平面的某个区域，会给接地平面上面或下面的印制线引入意想不到 的寄生电感。

由于接地平面通常具有很大的外表积和横截面积，所以使接地平面的电阻坚持最小值。在低频段，电流会选择电阻最小的途径，但是在高频段，电流会选择阻抗最小的途径。

但是也有例外，有时分小的接地平面会更好。假如将接地平面从输入或者输出焊盘下挪开，高速运算放大器会更好地工作。由于在输入端的接地平面引入的寄生电 容，增加了运算放大器的输入电容，减小了相位裕量，从而形成不稳定性。正如在寄生效应一节的讨论中所看到的，运算放大器输入端1 pF的电容能惹起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载——包括寄生的容性负载——形成了反应环路中的极点。这会降低相位裕量并形成电路变得不稳定。

假如有可能的话，模仿电路和数字电路——包括各自的地和接地平面——应该分开。快速的上升沿会形成电流毛刺流入接地平面。这些快速的电流毛刺惹起的噪声 会毁坏模仿性能。模仿地和数字地（以及电源）应该被衔接到一个共用的接地点以便降低循环活动的数字和模仿接地电流和噪声。

在高频段，必需思索一种称为“趋肤效应”的现象。趋肤效应会惹起电流流导游线的表面面——结果会使得导线的横截面变窄，因而使直流（DC）电阻增大。固然趋肤效应超出了本文讨论的范围，这里还是给出铜线中趋肤深度（Skin Depth）的一个很好的近似公式（以cm为单位）：

（5）

低灵活度的电镀金属有助于减小趋肤效应。

布线和屏蔽

PCB上存在各种各样的模仿和数字信号，包括从高到低的电压或电流，从DC到GHz频率范围。保证这些信号不互相干扰是十分艰难的。

回忆前面“谁都别信”局部的倡议，最关键的是预先考虑并且为了如何处置PCB上的信号制定出一个方案。重要的是留意哪些信号是敏感信号并且肯定必需采取 何种措施来保证信号的完好性。接地平面为电信号提供一个公共参考点，也能够用于屏蔽。假如需求停止信号隔离，首先应该在信号印制线之间留出物理间隔。下面 是一些值得自创的理论经历：

减小同一PCB中长并联线的长度和信号印制线间的接近水平能够降低电感耦合。减小相邻层的长印制线长度能够 避免电容耦合。需求高隔离度的信号印制线应该走不同的层而且——假如它们无法完整隔离的话——应该走正交印制线，而且将接地平面置于它们之间。正交布线可 以将电容耦合减至最小，而且地线会构成一种电屏蔽。在构成控制阻抗印制线时能够采用这种办法。高频（RF）信号通常在控制阻抗印制线上活动。就是说，该印 制线坚持一种特征阻抗，例如50Ω（RF应用中的典型值）。两种最常见的控制阻抗印制线，微带线4和带状线5都能够到达相似的效果，但是完成的办法不同。

微带控制阻抗印制线，如图13所示，能够用在PCB的恣意一面；它直接采用其下面的接地平面作为其参考平面。

图13. 微带传输线。

公式（6）能够用于计算一块FR4板的特征阻抗。

（6）

H表示从接地平面到信号印制线之间的间隔，W表示印制线宽度，T表示印制线厚度；全部尺寸均以密耳（mils）（10-3英寸）为单位。εr表示PCB资料的介电常数。

带状控制阻抗印制线（参见图14）采用了两层接地平面，信号印制线夹在其中。这种办法运用了较多的印制线，需求的PCB层数更多，对电介质厚度变化敏感，而且本钱更高——所以通常只用于请求严厉的应用中。

图14. 带状控制阻抗印制线。

用于带状线的特征阻抗计算公式如公式（7）所示。

（7）

维护环，或者说“隔离环”，是运算放大器常用的另一种屏蔽办法，它用于避免寄生电流进入敏感结点。其根本原理很简单——用一条维护导线将敏感结点完整包 围起来，导线坚持或者迫使它坚持（低阻抗）与敏感结点相同的电势，因而使吸收的寄生电流远离了敏感结点。图15（a）示出了用于运算放大器反相配置和同相 配置中的维护环的原理图。图15（b）示出用于SOT-23-5封装中两种维护环的典型布线办法。

图15. 维护环。（a）反相和同相工作。（b）SOT-23-5封装。

还有很多其它的屏蔽和布线办法。欲取得有关这个问题和上述其它标题的更多信息，倡议读者阅读下列参考文献。

结论

高程度的PCB布线对胜利的运算放大器电路设计是很重要的，特别是对高速电路。一个好原理图是好的布线的根底；电路设计工程师和布线设计工程师之间的紧 密配合是基本，特别是关于器件和接线的位置问题。需求思索的问题包括旁路电源，减小寄生效应，采用接地平面，运算放大器封装的影响，以及布线和屏蔽的方 法。