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PCB互連設計過程中大幅降低RF效應的基本方法

上網時間: 2001年08月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PCB  電路板設計  RF  高頻電路板設計  趨膚效應 

電路板系統的互連包括:晶片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部元件三者間的互連。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,內容涉及元件黏著方法、佈線的隔離以及減少引線電感的措施等等。

Dale Reed


業務副總裁


Trompeter Electronics公司


Email: dale.reed@trompeter.com

隨著高頻產品應用日廣,印刷電路板設計的頻率也越來越高。同時在數據速率不斷成長的情況下,數據傳送所要求的頻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超出毫米波技術範圍(30GHz),但它已涉及到RF和低階微波技術。

RF工程設計方法必須能夠處理通常在較高頻段處產生的強大電磁場效應。這些電磁場會在相鄰信號線或PCB線上產生信號,導致串擾(干擾及總噪音)的發生,並可能損害系統性能。回損主要是由阻抗失配造成,對信號產生的影響,如噪音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音,使接收機更加難以將噪音和信號區分開來;2. 任何反射信號基本上都會使信號品質降低,因為輸入信號的形狀出現了變化。

儘管由於數位系統只處理1和0信號,並具有良好的容錯性,但是高速脈衝上升時產生的諧波仍會導致頻率越高信號越弱的現象產生。即使前向糾錯技術可以消除部份負面效應,但系統的部份頻寬仍然會被用於傳輸冗餘數據,進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。建議數位系統最高頻率處(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RF PCB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式是進行接地層管理,在佈線之間進行間隔和降低引線電感(stud capacitance)。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主動信號線和地線進行隔離,尤其在狀態產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薄弱的環節,因此在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,工程師們必須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。

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問世。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。在最近舉辦的GHz互連研討會上,許多設計人員都已得知了處理I/O數量和頻率不斷成長問題的方法。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成長的因素。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。

PCB板內互連

進行高頻PCB設計的技巧和方法如下:

1. 傳輸線轉角要採用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佈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、對佈線形狀的下切(undercut)和橫斷面進行管理並指定佈線側壁電鍍條件。對佈線(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元件。高頻環境下,最好使用表面黏著元件。

5. 對信號穿孔而言,要避免在敏感板上使用穿孔加工(pth)製程,因為該製程會導致穿孔處產生引線電感。如一個20層板上的一個穿孔用於連接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三維電磁場對電路板的影響。

7. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金製程,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(solder dam)來作阻焊層。

若使用者不熟悉這些方法,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咨詢。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-backed coplanar)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。現在要盡量對那些不熟悉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,如改進電腦型,使之具備RF效應處理能力。

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元件互連上的所有信號管理問題。那麼從電路板到連接遠端元件導線的信號輸入/輸出問題又將如何解決?同軸電纜技術的創新者Trompeter Electronics公司正致力於解決這個問題,並已經獲得一些重要進展(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,必須大幅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,然後藉由一個焊點到接頭,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。在寬頻上採用更高頻率來傳輸信號看來是設計中面臨的主要問題。

本文總結

PCB平台技術需要不斷改進以達到整合電路設計人員的要求。PCB設計中高頻信號的管理以及PCB電路板上信號輸入/輸出的管理都需要不斷的改進。無論未來還會有何種創新產品問世,我認為頻寬將會越來越高,而採用高頻信號技術就是實現這種頻寬不斷成長的前提。

[Printed Circuit Design]

Dale Reed從事高頻領域研究長達12年,在微波印刷電路板設計方面具有豐富經驗。他目前擔任Trompeter Electronics公司業務副總裁。




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