高速PCB电路布线设计的两类关键特性

PCB的接地平面起到公共基准电压的作用，提供屏蔽，能够散热和减小寄生电感（但它也会增加寄生电容）的功能。虽然使用接地平面有许多好处，但是在实现时也必须小心，因为它对能够做的和不能够做的都有一些限制。

一、接地平面

理想情况下，PCB有一层应该专门用作接地平面。这样当整个平面不被破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连接其它信号。由于PCB的接地平面可以消除导体和接地平面之间的磁场，所以可以减小印制线电感。如果破坏PCB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。因为接地平面通常具有很大的表面积和横截面积，所以使接地平面的电阻保持最小值。在低频段，电流会选择电阻最小的路径，但是在高频段，电流会选择阻抗最小的路径。然而也有例外，有时候小的接地平面会更好。如果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。因为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，从而造成不稳定性。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的电容能引起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载——包括寄生的容性负载——造成了反馈环路中的极点。这会降低相位裕量并造成电路变得不稳定。

然而也有例外，有时候小的接地平面会更好。如果将PCB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。因为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，从而造成不稳定性，而运算放大器输入端1 pF的电容能引起很明显的尖脉冲。输出端的容性负载，包括寄生的容性负载，造成了反馈环路中的极点。这会降低相位裕量并造成电路变得不稳定。

如果有可能的话，PCB的模拟电路和数字电路，包括各自的地和接地平面应该分开。快速的上升沿会造成电流毛刺流入接地平面。这些快速的电流毛刺引起的噪声会破坏模拟性能。模拟地和数字地（以及电源）应该被连接到一个共用的接地点以便降低循环流动的数字和模拟接地电流和噪声。

在高频段，必须考虑一种称为“趋肤效应”的现象。趋肤效应会引起电流流向导线的外表面，其结果会使得导线的横截面变窄，因此使直流（DC）电阻增大，低灵敏度的电镀金属有助于减小趋肤效应。

二、布线和屏蔽

PCB上存在各种各样的模拟和数字信号，包括从高到低的电压或电流，从DC到GHz频率范围。保证这些信号不相互干扰是非常困难的。最关键的是预先思考并且为了如何处理PCB上的信号制定出一个计划。重要的是注意哪些信号是敏感信号并且确定必须采取何种措施来保证信号的完整性。接地平面为电信号提供一个公共参考点，也可以用于屏蔽。如果需要进行信号隔离，首先应该在信号印制线之间留出物理距离。下面是一些值得借鉴的实践经验：

减小同一PCB中长并联线的长度和信号印制线间的接近程度可以降低电感耦合。减小相邻层的长印制线长度可以防止电容耦合，需要高隔离度的信号印制线应该走不同的层。而且，如果它们无法完全隔离的话，应该走正交印制线，且将接地平面置于它们之间。正交PCB布线可以将电容耦合减至最小，而且PCB的地线会形成一种电屏蔽。在构成控制阻抗印制线时可以采用这种方法。高频（RF）信号通常在控制阻抗印制线上流动。就是说，该印制线保持一种特征阻抗，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都可以达到类似的效果，但是实现的方法不同。

微带控制阻抗印制线，可以用在PCB的任意一面；它直接采用其下面的接地平面作为其参考平面。带状控制阻抗印制线采用了两层接地平面，信号印制线夹在其中。这种方法使用了较多的印制线，需要的PCB层数更多，对电介质厚度变化敏感，而且成本更高，所以通常只用于要求严格的应用中。

保护环，或者说“隔离环”，是运算放大器常用的另一种屏蔽方法，它用于防止寄生电流进入敏感结点。其基本原理很简单——用一条保护导线将敏感结点完全包围起来，导线保持或者迫使它保持（低阻抗）与敏感结点相同的电势，因此使PCB板吸收的寄生电流远离了敏感结点。