模拟电路印制板的布线设计

     摘要：性能良好的电路装置离不开PCB线路板正确合理的布线设计，地线的布线设计是整个电路布线设计的基础。基于此，主要介绍了模拟电路PCB印制板布线中地线的串联布线与并联布线，直流电源的布线，单元电路的去耦及回路共用地线阻抗的消除等问题，也介绍了布线设计的相关要点，为模拟电路PCB板的布线设计提供了参考。
关键词：PCB；布线设计；回路；共用地线阻抗

0 引言
    如何依据设计好的电路原理图，设计出电路性能优异的PCB印制板图，是电路设计师十分重视的问题。模拟电路PCB印制板图的设计依据电路的工作频率，在排板布线方面有它自身的特点和规律，文章以收录机电路为例就模拟电路PCB印制板的布线工作做一些讨论。

1 地线的布线
    电原理图中的接地符号“┷”表示电路的参考电位，也称地电位。所有画“┷”的元件引线都连接在一起，处于同一个电位上，电源的负极(以下以电池负极接地为例)也与“┷”符号相连，“┷”符号在这里不代表接地或接机壳。当由电原理图设计PCB印制板图时，将接在参考电位上的所有元件的引脚都用铜箔连在一起，形成地线。由于铜箔有阻抗存在，地线中电流的流动，使地线上的各处电位不再完全相等，对电路的稳定工作产生了影响，这种影响在高频时更显突出。因此在进行PCB印制板的布线时，要充分考虑到电路中的元件在地线中的接入位置和地线阻抗对电路产生的影响，确保电路稳定工作。
1．1 低频模拟电路的地线布线
    低频模拟电路的地线布置，通常按照电路的走向来安排。一般按小信号至大信号的顺序采用串联地线的布线方式将各单元电路的地线串接起来，在电源滤波电容的负极连接，最后与电源地连接。其中各单元电路的交流信号要自成回路并且不和其他回路共用地线。若电路的走向是并联关系，则地线采用并联地线的布线方式。

    图1是一种串联地线布线的情况，图中电路由前置放大电路和功率放大电路(OTL电路)两部分组成。R1、C1是前置电路的电源去耦元件，C2是电源滤波电容，也起去耦作用。电路中I1、I2是直流电源向前置和功放电路供电的平均电流，i1是前置电路的输出回路电流，i2、i3是功放输出电路中的电流，通过电容C1、C2和输出电容C3各自构成了交流回路。r1、r2、r3是印制板铜箔的等效地线阻抗。布线时的要点是：前置级是小信号放大电路，增益较高，最容易受到干扰，前置单元电路内部的布线要避免输入和输出回路共用地线，还要避免后级功放电路对前置输入电路的干扰；功放电路是大信号电路，要防止它干扰功放输入电路和前置级电路。从图中可以看到前置电路的i1经过C1构成了交流回路，功放电路的i2经过C2和C3构成了交流回路，i3也自成回路，这三个回路的电流都没有流经r1，I1、I2也没有流经r1，信号源u(t)在加到前置放大电路输入端1、2脚的路经上，没有受到后级电路的干扰；大电流i2、i3也没有流过r2，没有对功放输入电路造成干扰。各单元电路的地线阻抗r1、r2、r3按串联形式连接到滤波电容C2的负极，电源的负极也连接在C2的负极。整个电路地线布置是合理的。一种不合理的地线布置例子是将电容C2接在u(t)的接地端(图1的a点处)，使r1中有大电流i2流过，产生的干扰电压与信号源u(t)串联后加到前置电路输入端1、2脚，将使整个电路不能正常工作。

    如果整体电路中有分支电路，则在电路的分支处汇合地线，形成并联地线连接；对于整体电路中的独立单元电路，可以把它的地线直接连接到电源滤波电容的负极形成并联地线形式。图2是并联地线布线的情况，图中的收音电路、放音电路分别与低放电路构成收音和放音两种工作模式，这2部分电路的地线在低放的输入端地线处汇合形成并联地线连接，电机控制电路构成独立单元电路，与收音、放音电路没有信号传递关系，它的地线直接连接在电源滤波电容的负极形成并联地线。

    单元电路内部在布线时要将输入电路接地元件的接地点接在输入回路地线上，输出电路接地元件的接地点接在输出回路地线上，两个回路不要有共用地线部分，尤其是高增益电路更应该注意。对于集成电路应在接地引脚处划分输入地和输出地，若集成电路有输入地和输出地2个引脚，则电路接地元件的接地端接对应的集成电路引脚，再将两引脚连接。
1．2 高、中频模拟电路的地线布线
    高、中频电路的地线布线原则上也要按电路走向布置。其中的每一级电路要构成交流回路，接地元件应连接在一段相对独立的地线上，不与前后级共用地线。按电路的高频、中频、解调的走向顺序连接地线，最后接入低频放大器输入地。对于FM波段甚高频电路，电路的分布参数影响很大，地线必须宽而短，否则就会形成可观的电感，呈现较大的感抗，很容易形成前后级耦合，使电路工作不稳定。为了减小分布电感，布线时常采用大面积地线的形式，除电路连接点和走线外，将空白处全部铺铜，减少地线的阻抗。
1．3 消除共用地线阻抗带来的干扰
    电路中的高放大倍数的电路或大电流输出的电路，输入及输出回路应尽量远离，避免共用地线阻抗的产生。图3(a)中的回路1是小信号输入回路，回路2是大电流输出回路，它们共用ab段地线阻抗，回路2中大电流i2在地线阻抗上产生的电压加到回路1中与u(t)串联，对回路1形成干扰。图3(b)在a点处将输入和输出电路分开走线，消除了回路2对回路1的干扰。

    总之模拟电路的地线按照电路的走向一般采用串联布线的形式，在有电路分支的地方，形成并联地线，最后在电源滤波电容负极处汇合再与电源地连接。电路中的各单元电路要构成交流回路，不与其它回路通过共用地线产生耦合。
2 电源供电的布线
    在图4(a)的电路框图中，阻抗r0是电源滤波电容器C3与前置、线路放大、功放电路供电端之间的一段共用的印制板铜箔的等效阻抗，对上述电路供电的电流要在r0上产生压降，这个压降随供电电流的变化而变化，对于从B点给收音单元供电来说，就相当于提供了一个电压波动的电源。为了消除阻抗r0的影响，正确合理的供电应该是从A点引出的虚线L1，因A点的交流阻抗最低，该点的对地交流压降最小。功放电路所需要的电流较大，在r0上会产生更大的压降，所以它的供电端也应从A点引出，见图中虚线L2。由A点向各单元电路供电能减少供电带来的波动。通常PCB板在电源滤波电容处采用分支状的布线方法向各分支电路供电，就是为了消除供电线路阻抗的影响，特别是向功放部分的供电直接从电容正极引出，见图4(b)。

    对于放大电路单元来说，电路要完成信号放大并传向后级，并避免将放大的交流信号流经电源内阻，形成级间的耦合干扰。这就要求放大电路自身对信号要构成交流回路，并且这个交流回路不包含直流电源，图4(a)电路中的电容器C1、C2、C3在工作频率范围内对信号是短路的，它们分别构成了前置、线路放大、功放电路的交流回路。实际的电路中由于C3的阻抗不能完全为零和电源存在有内阻，功放电路交流电流会在其上产生压降，通过供电线路向线路放大电路、前置电路反馈，会影响整个电路的正常工作。为了消除这种耦合的影响，电路中使用了R2、C2组成的滤波电路，因此R2、C2是线路放大的去耦电路，R1、C1是前置电路的去耦电路。

3 布线中要注意的几点
    (1)布线中要求回路的交流电流路径所包含的面积要小，这可把回路看成单匝线圈，回路之间通过它们的互感会产生耦合形成干扰。回路的面积小，回路之间就可以远离或不重叠，可以减少相互之间的干扰。
    (2)对集成电路应在电源端加R、C去耦电路，电容的接地点应接在本级输出地线上，以构成交流回路。
    (3)电平相差较大的导线要分开走线，避免强信号通过电路板的分布电容干扰弱信号。
    (4)输入信号线与输出信号线尽可能远离，特别是在电路增益较高时输出信号通过分布电容与输入电路之间形成反馈，引起电路工作的不稳定而产生自激。
    (5)电源电路、功放电路远离小信号电路，避免噪声串入到小信号电路中。在空间有限的情况下特别要注意变压器的漏磁对小信号电路和磁性元件的影响。
    (6)无屏蔽的高频电感线圈可通过调整其在线路板上的位置减少相互之间的磁耦合，或外界磁场对它的干扰。

4 结束语
    电路中多数元器件都要通过地线形成回路，合理地布置地线能使回路之间消除地线共用，避免回路之间产生干扰；各单元电路供电点应选在交流阻抗最小的滤波电容处；去耦电路的合理使用能消除由于电源内阻的存在而在单元电路之间产生耦合的影响，它也是构成电路回路的元件。只有合理地安排各单元电路在整机中的位置及合理地进行整机PCB布线，这样设计出的PCB印制板，才能充分发挥出电路的性能。