PCB設計

在高速設計中，可控阻抗板和線(xiàn)路的特性阻抗是最重要和最普遍的問(wèn)題之一。首先了解一下傳輸線(xiàn)的定義：傳輸線(xiàn)由兩個(gè)具有一定長(cháng)度的導體組成，一個(gè)導體用來(lái)發(fā)送信號，另一個(gè)用來(lái)接收信號（切記“回路”取代“地”的概念）。在一個(gè)多層板中，每一條線(xiàn)路都是傳輸線(xiàn)的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線(xiàn)路或回路。一條線(xiàn)路成為“性能良好”傳輸線(xiàn)的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線(xiàn)路中保持恒定。 

線(xiàn)路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線(xiàn)路的特性阻抗滿(mǎn)足一個(gè)規定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線(xiàn)路板中，傳輸線(xiàn)性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線(xiàn)路中保持恒定。

但是，究竟什么是特性阻抗？理解特性阻抗最簡(jiǎn)單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當沿著(zhù)一條具有同樣橫截面傳輸線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，這類(lèi)似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線(xiàn)中，如把1伏特的電池連接到傳輸線(xiàn)的前端（它位于發(fā)送線(xiàn)路和回路之間），一旦連接，這個(gè)電壓波信號沿著(zhù)該線(xiàn)以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當然，這個(gè)信號確實(shí)是發(fā)送線(xiàn)路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線(xiàn)路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。

Zen的方法是先“產(chǎn)生信號”，然后沿著(zhù)這條傳輸線(xiàn)以6英寸/納秒的速度傳播。第一個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線(xiàn)路有多余的正電荷，而回路有多余的負電荷，正是這兩種電荷差維持著(zhù)這兩個(gè)導體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導體又組成了一個(gè)電容器。

在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線(xiàn)的電壓從0調整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線(xiàn)路，而加一些負電荷到接收線(xiàn)路。每移動(dòng)0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線(xiàn)路，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線(xiàn)路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號開(kāi)始沿著(zhù)這一段傳播。電荷來(lái)自傳輸線(xiàn)前端的電池，當沿著(zhù)這條線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，就給傳輸線(xiàn)的連續部分充電，因而在發(fā)送線(xiàn)路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時(shí)間間隔（±t）內從電池中流出的恒定電量（±Q）就是一種恒定電流。流入回路的負電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過(guò)上、下線(xiàn)路組成的電容，結束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

PCB（Printed Circuit Board）印刷電路板的縮寫(xiě) 

一、國內用的比較多的是protel，protel 99se，protel DXP，Altium，這些都是一個(gè)公司發(fā)展，不斷升級的軟件；當前版本是Altium Designer 9.1 比較簡(jiǎn)單，設計比較隨意，但是做復雜的PCB這些軟件就不是很好。

二、Cadence spb軟件Cadence spb這是Cadence的軟件，當前版本是Cadence SPB 16.5；其中的ORCAD原理圖設計是國際標準；其中PCB設計、仿真很全，用起來(lái)比protel復雜，主要是要求、設置復雜；但是為設計做好了規定，所以設計起來(lái)事半功倍，比protel就明顯強大。

三、Mentor公司的BORDSTATIONG和EE,其中BOARDSTATION由于只適用于UNIX系統，不是為PC機設計，所以使用的人較少；當前MentorEE版本為Mentor EE 7.9和Cadence spb屬于同級別的PCB設計軟件，它有些地方比cadence spb差，它的強項是拉線(xiàn)、飛線(xiàn)，人稱(chēng)飛線(xiàn)王。

四、EAGLE Layout這是歐洲使用最廣泛的PCB設計軟件?！∩鲜鏊f(shuō)PCB設計軟件，用的比較多的，Cadence spb和MentorEE 是里面當之無(wú)愧的王者?！∪绻浅鯇W(xué)設計PCB我覺(jué)得Cadencespb 比較好，它可以給設計者養成一個(gè)良好的設計習慣，而且能保證良好的設計質(zhì)量。

設計在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局；

對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無(wú)源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對齊和布局的美觀(guān)。

PCB布局規則：

1、在通常情況下，所有的元件均應布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過(guò)密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。

2、在保證電氣性能的前提下，元件應放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀(guān)，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個(gè)版面上應分布均勻、疏密一致。

3、電路板上不同組件相臨焊盤(pán)圖形之間的最小間距應在1MM以上。

4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長(cháng)寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時(shí)，應考慮電路板所能承受的機械強度。

在PCB的布局設計中要分析電路板的單元，依據起功能進(jìn)行布局設計，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

1、按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

2、以每個(gè)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來(lái)進(jìn)行布局。元器件應均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。

3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀(guān)，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

一旦選用了過(guò)孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過(guò)孔不相連的線(xiàn)與過(guò)孔的間隙，如果是自動(dòng)布線(xiàn)，可在“過(guò)孔數量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項來(lái)自動(dòng)解決。（2）需要的載流量越大，所需的過(guò)孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過(guò)孔就要大一些。

Overlay

為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標志圖案和文字代號等，例如元件標號和標稱(chēng)值、元件外廓形狀和廠(chǎng)家標志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設計絲印層的有關(guān)內容時(shí)，只注意文字符號放置得整齊美觀(guān)，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們設計的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區域被抹賒，還有的把元件標號打在相鄰元件上，如此種種的設計都將會(huì )給裝配和維修帶來(lái)很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：”不出歧義，見(jiàn)縫插針，美觀(guān)大方”。

特殊性

Protel封裝庫內有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類(lèi)器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類(lèi)器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類(lèi)元件的有關(guān)文字標注只能隨元件所在面放置。

網(wǎng)格狀填充區（External Plane ）和填充區（Fill)

正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò )狀填充區是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設計過(guò)程中在計算機上往往看不到二者的區別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區別，所以使用時(shí)更不注意對二者的區分，要強調的是，前者在電路特性上有較強的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區域當做屏蔽區、分割區或大電流的電源線(xiàn)時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線(xiàn)端部或轉折區等需要小面積填充的地方。

Pad

焊盤(pán)是PCB設計中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設計中千篇一律地使用圓形焊盤(pán)。選擇元件的焊盤(pán)類(lèi)型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤(pán)，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤(pán)等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤(pán)，可自行設計成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤(pán)的設計中，不少廠(chǎng)家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤(pán)時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：

（1）形狀上長(cháng)短不一致時(shí)要考慮連線(xiàn)寬度與焊盤(pán)特定邊長(cháng)的大小差異不能過(guò)大；

（2）需要在元件引角之間走線(xiàn)時(shí)選用長(cháng)短不對稱(chēng)的焊盤(pán)往往事半功倍；

（3）各元件焊盤(pán)孔的大小要按元件引腳粗細分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0．2- 0．4毫米。

PCB放置焊盤(pán)：

1 ．放置焊盤(pán)的方法

可以執行主菜單中命令 Place/Pad ，也可以用組件放置工具欄中的 Place Pad 按鈕。

進(jìn)入放置焊盤(pán)（ Pad ）狀態(tài)后，鼠標將變成十字形狀，將鼠標移動(dòng)到合適的位置上單擊就完成了焊盤(pán)的放置。

2 ．焊盤(pán)的屬性設置

焊盤(pán)的屬性設置有以下兩種方法：

● 在用鼠標放置焊盤(pán)時(shí)，鼠標將變成十字形狀，按 Tab 鍵，將彈出 Pad （焊盤(pán)屬性）設置對話(huà)框.

7-24 焊盤(pán)屬性設置對話(huà)框

● 對已經(jīng)在 PCB 板上放置好的焊盤(pán)，直接雙擊，也可以彈出焊盤(pán)屬性設置對話(huà)框。在焊盤(pán)屬性設置對話(huà)在框中有如下幾項設置：

● Hole Size ：用于設置焊盤(pán)的內直徑大小。

● Rotation ：用一設置焊盤(pán)放置的旋轉角度。

● Location ：用于設置焊盤(pán)圓心的 x 和 y 坐標的位置。

● Designator 文本框：用于設置焊盤(pán)的序號。

● Layer 下拉列表：從該下拉列表中可以選擇焊盤(pán)放置的布線(xiàn)層。

● Net 下拉列表：該下拉列表用于設置焊盤(pán)的網(wǎng)絡(luò )。

● Electrical Type 下拉列表：用于選擇焊盤(pán)的電氣特性。該下拉列表共有 3 種選擇方式： Load （節點(diǎn)）、 Source （源點(diǎn)）和 Terminator （終點(diǎn)）。

● Testpoint 復選項：用于設置焊盤(pán)是否作為測試點(diǎn)，可以做測試點(diǎn)的只有位于頂層的和底層的焊盤(pán)。

● Locked 復選項：選中該復選項，表示焊盤(pán)放置后位置將固定不動(dòng)。

● Size and Shape 選項區域：用于設置焊盤(pán)的大小和形狀

● X-Size 和 Y-Size ：分別設置焊盤(pán)的 x 和 y 的尺寸大小。

● Shape 下拉列表：用于設置焊盤(pán)的形狀，有 Round （圓形）、 Octagonal （八角形）和 Rectangle

（長(cháng)方形）。

● Paste Mask Expansions 選項區域：用于設置助焊層屬性。

● Solder Mask Expansions 選項區域：用于設置阻焊層屬性。

Mask

這些膜不僅是PcB制作工藝過(guò)程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類(lèi)。顧名思義，助焊膜是涂于焊盤(pán)上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤(pán)略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤(pán)處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤(pán)以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫?？梢?jiàn)，這兩種膜是一種互補關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中

類(lèi)似“solder Mask En1argement”等項目的設置了。

有兩重含義

自動(dòng)布線(xiàn)時(shí)供觀(guān)察用的類(lèi)似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò )表調入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)的交叉狀況，不斷調整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線(xiàn)的布通率。這一步很重要，可以說(shuō)是磨刀不誤砍柴功，多花些時(shí)間，值！另外，自動(dòng)布線(xiàn)結束，還有哪些網(wǎng)絡(luò )尚未布通，也可通過(guò)該功能來(lái)查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò )之后，可用手工補償，實(shí)在補償不了就要用到“飛線(xiàn)”的第二層含義，就是在將來(lái)的印板上用導線(xiàn)連通這些網(wǎng)絡(luò )。要交待的是，如果該電路板是大批量自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)，可將這種飛線(xiàn)視為0歐阻值、具有統一焊盤(pán)間距的電阻元件來(lái)進(jìn)行設計.

印刷電路板（Printed circuit board，PCB）幾乎會(huì )出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件，那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外，PCB的主要功能是提供上頭各項零件的相互電氣連接。隨著(zhù)電子設備越來(lái)越復雜，需要的零件越來(lái)越多，PCB上頭的線(xiàn)路與零件也越來(lái)越密集了。標準的PCB長(cháng)得就像這樣。裸板（上頭沒(méi)有零件）也常被稱(chēng)為「印刷線(xiàn)路板Printed Wiring Board（PWB）」。

板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細小線(xiàn)路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過(guò)程中部分被蝕刻處理掉，留下來(lái)的部分就變成網(wǎng)狀的細小線(xiàn)路了。這些線(xiàn)路被稱(chēng)作導線(xiàn)（conductor pattern）或稱(chēng)布線(xiàn)，并用來(lái)提供PCB上零件的電路連接。

為了將零件固定在PCB上面，我們將它們的接腳直接焊在布線(xiàn)上。在最基本的PCB（單面板）上，零件都集中在其中一面，導線(xiàn)則都集中在另一面。這么一來(lái)我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過(guò)板子到另一面，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此，PCB的正反面分別被稱(chēng)為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）。

如果PCB上頭有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去，那么該零件安裝時(shí)會(huì )用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，零撥插力式）插座，它可以讓零件（這里指的是CPU）可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來(lái)。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零件后將其固定。

如果要將兩塊PCB相互連結，一般我們都會(huì )用到俗稱(chēng)「金手指」的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線(xiàn)的一部分。通常連接時(shí)，我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴充槽Slot）。在計算機中，像是顯示卡，聲卡或是其它類(lèi)似的界面卡，都是借著(zhù)金手指來(lái)與主機板連接的。

PCB上的綠色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護層，可以保護銅線(xiàn)，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì )印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）。通常在這上面會(huì )印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱(chēng)作圖標面（legend）。

PCB的中文名稱(chēng)為印制電路板又稱(chēng)印刷電路板、印刷線(xiàn)路板是重要的電子部件是電子元器件的支撐體?是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的故被稱(chēng)為“印刷”電路板。

PCB打樣就是指印制電路板在批量生產(chǎn)前的試產(chǎn)主要應用為電子工程師在設計好電路?并完成PCB Layout之后向工廠(chǎng)進(jìn)行小批量試產(chǎn)的過(guò)程即為PCB打樣。而PCB打樣的生產(chǎn)數量一般沒(méi)有具體界線(xiàn)一般是工程師在產(chǎn)品設計未完成確認和完成測試之前都稱(chēng)之為PCB打樣 。