高频电路板的叠层设计

电路设计与制版,第4章高频电路板的叠层设计,一、基板材料二、多层电路板的叠层设计三、20H规则四、电容的使用五、电路的接地方法,一、基板材料,基板的材料：纸、玻璃纤维、陶瓷、环氧树脂等基板的分类：普通板材和高速板材1）普通板材：用于频率小于300MHz的电路板一般采用FR-4材料FR-4：是玻璃纤维环氧树脂覆铜板的简称特点：具有较好的绝缘性能、耐热性、耐潮性，有良好的机械加工性能。FR-4的相对介电常数r：r=4.24.7，会随温度变化,FR-4A2级覆铜板：此等级满足一般工业电子产品的需要。有很好的价格性能比。用于普通电脑、高级家电产品及一般的电子产品。FR-4A3级覆铜板：用于家电行业、普通电子产品（如玩具，计算器，游戏机等）及电脑周边产品。特点:在性能满足要求前提下，价格极具竞争优势。FR-4A4级覆铜板：低端材料。价格最具竞争性，性能价格比相当出色。FR-4B级覆铜板：质量稳定性较差，不适用于面积较大的线路板产品，一般适用尺寸100mm200mm的产品。价格最为低廉，注意选择使用。,FR-4的分类：FR-4A1级覆铜板：此等级达到世界一流水平。用于军工、通讯、电脑、数字电路、工业仪器仪表、汽车电路等,2）高频板材用于频率超过300MHz的电路板特点：其各项物理性能、精度、技术参数要求非常高应用：用于汽车防碰撞系统、卫星系统、无线电系统等领域。价格：高昂，通常每平方厘米价格在1.8左右，约合每平米1.8万元,二、多层电路板的叠层设计,1、多层电路板的回路面积多层电路板：电流到达接收端后，经过走线下方的参考层回到信号源，此时回路面积最小。,2、采用多层电路板的原因1）随着BGA封装元器件的出现，使用多层电路板才能把BGA封装元器件管脚的连线拉出2）多层电路板中，两个距离很近的参考层形成板间电容，具有很好的去耦作用，使电源非常稳定3）回路面积最小当接收端的返回电流，流过位于走线下方的参考层时，回路面积最小4）为了减小串扰走线有参考层时，能够减小串扰5）减小走线的辐射带状线两边都有金属平面层，其电磁辐射比微带线的电磁辐射小,3、多层电路板的设计原则,多层电路板常用的叠层设计：4、6、8、10、12层电路板,1）多层电路板,十二层电路板的分层方法：,设计原则：,（1）顶层和底层：放置焊盘，布线不能太长，减小来自外面的直接辐射（2）中间信号层的位置：位于参考平面之间，布置带状线（3）高速信号线远离多电源层：多电源层存在电源层的分割例如：如果第11层是多电源层，那么第10层和底层中信号的返回电流会有缝隙,第3层和第9层不能作为布线组合：否则返回电流会从第4层、第6层、第8层上通过，显然回路面积太大,（4）走线的层间转换：避免返回电流从一个参考面流到另一个参考面，而是从参考面的一个表面流到另外一个表面布线组合：第3层和第5层、第5层和第7层，第7层和第9层,（5）布线方向同一个信号层，大部分布线的方向一致，和相邻信号层的布线方向垂直例如：第3、7层设置为东西方向；第5、9层设置为南北方向,2）六层板,如果第5层是多电源层，那么第5层会被分割成多个区域：此时，高速布线不要放在第4层和底层Bottom，否则，返回电流的路径容易出现缝隙,高速布线尽量放在顶层Top和第3层，顶层的高速走线尽可能短,常见的分层方法：,布线层对：第1层和第3层、第4层和第6层,如果是第3、4层：返回电流会同时出现在第2层、第5层,3）四层板,地层和电源层之间的距离：不易过大，保证形成板间电容，一般为4mil,如果地层有分割：信号线不要跨过分割区,地层最好不分割，不同功能的芯片分开布局和布线,例如：一个电路板有模拟部分和数字部分，那么模拟部分和数字部分分开布局和布线,模拟地和数字地之间的磁珠的位置：放在AD转换器下面,四层板的另外一种方案：,缺点：,电源层、地层距离过远，不能形成合理的板间电容,焊盘在电源层、地层上：所以电源层、地层的电流返回路径很可能受到焊盘的阻碍，有可能不是最短的,由于参考面不完整，信号阻抗不连续，形成信号的反射,三、20H规则,高频电路中，电源平面层会存在高频电流，由于趋肤效应，此高频电流存在于电源平面层的表面，其产生的磁场会向空间辐射，称为边缘效应,改进方法：要求电源平面层比相邻的地层缩进20H，H为两个层之间的高度20H规则的特点：约70%的磁通量被地平面吸收100H规则：98%的磁通量被地平面吸收,四层电路板中使用20H规则：,电源平面层和地平面层的距离为10mil，20H为200mil,四、电容的使用,1、电容的三个作用去耦、旁路、储能去耦（Decouping）作用：电子元器件内部的开关，在工作时，产生的噪声会会对电源产生干扰，把此高频噪声滤除，称为去耦作用去耦电容的位置：尽可能靠近芯片的电源管脚,去耦电容对电源电压的影响：,旁路（Bypassing）作用：滤除电路中不需要的高频噪声储能作用：电子元器件的输出由高电平变为低电平，或由低电平变为高电平时，消耗的电流会发生突变，从而使电源线的电压产生波动使用大容量电容器，保持电压稳定例如：铝电解电容,2、电容的谐振频率,实际电容的等效电路：,Rs：等效的串联电阻，Ls：等效的串联电感，C：静电容，Rp：泄露电阻，也称为绝缘电阻，G级大小，可以忽略Rda：介质吸收电阻，可以忽略Cda：介质吸收电容，可以忽略,实际电容器的简化电路模型：,由等效电阻（ESR）Rs、等效串联电感（ESL）Ls、静电容C组成,电容的阻抗：,Zc=Rs+j（2fL-1/(2fC)）,实际电容器的简化电路模型：,电容的阻抗模：,电容的谐振频率（又称为自谐振频率）：,理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻抗分为3个区域：,实际电容的阻抗图：,小于谐振频率：电容保持电容的特性，其阻抗随频率的增加而降低，等于谐振频率：电容的阻抗最小，等于等效电阻（ESR）Rs大于谐振频率：由于引线长度和导线电感的影响，电容表现为电感的作用，因此对高频噪声的滤波作用减弱，甚至消失,电容的谐振频率：由等效串联电感（ESL）Ls和静电容C共同决定电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。等效串联电感ESL：此参数除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。高频电路中：要使电容器的引线尽量短。使用表贴式封装电容，不使用插针式封装封装越小，电容的尺寸越小，谐振频率越高,电容的谐振频率：,陶瓷电容的自谐振频率：通孔插针式封装0.25inch引线类型、表贴式封装类型,结论：表贴式封装比通孔插针式封装的自谐振频率高很多原因：表贴式封装管脚短，有更小的引线电感,铝电解电容的自谐振频率：工艺特性原因，铝电解电容的ESR，ESL比较难做小，因此铝电解电容的自谐振频率点通常都比较低，大致在几十KHz到几MHz,通孔插针式封装电容的自谐振频率：,表贴式封装电容的自谐振频率：,常见电容的主要特性,3、电源层和地层之间的板间电容,多层电路板中，电源层和地层之间是一个平板电容，称为板间电容,板间电容的大小为：,0：自由空间介电函数，为8.85pF/mr：两个平面层之间介质的相对介电常数，对于FR-4材料，此值为4.5A：电源平面和地平面重叠的部分d：电源平面和地平面之间的距离,例如：d=6mil（0.15mm），FR-4材料，1平方英寸（6.45平方厘米）的等效电容为75pF一个电路板长20cm宽10cm：板间电容为2.3nF,4层电路板：,实际的板间电容：由于有过孔、插针式焊盘，实际的板间电容小于这个公式板间电容的谐振频率：一般为200400MHz,五、电路的接地方式,电路的接地方法分为：单点接地、多点接地1、单点接地,指所有电路的地线接到公共地线的同一点分为串联单点接地、并联单点接地、混合接地,1）串联单点接地,许多电路中存在公共阻抗，,A、B、C各点电位受到电路中的工作电流的影响，尤其C点电位十分不稳定,特点：简单、最常用,大功率电路的地线电流会干扰小功率电路,2）并联单点接地,3）混合单点接地,特点：需要多个导线，没有串联单点接地的公共阻抗干扰,把电路按照干扰特性分组，把相互之间容易干扰的电路放在不同的组，相互之间不容易干扰的电路放在同一组,特点：每个组内采用串联单点接地，不同组采用并联单点接地,2、多点接地,为了减小地线电感，经常使用多点接地,接地线尽可能短，在几mm以内,经验总结：频率小于1MHz：使用单点接地频率大于10MHz：使用多点接地频率在110MHz：如果最长的接地线小于波长的1/20时，可以使用单点接地，否则使用多点接地,高频电路：地线等效成了电阻串联电感,第4章高频电路板的叠层设计总结,一、基板材料FR-4二、多层电路板的叠层设计使用多层电路板的原因、电路板分层的设计方法三