微电子毕业设计论文-印制电路板抗干扰设计.doc

XX信息职业技术学院 毕业设计(论文) 系 部 微电子工程系 专 业 电子电路设计与工艺 姓 名 学 号 题 目 印制电路板抗干扰设计 指导教师 毕业设计(论文)中文摘要  毕业设计(论文)外文摘要 目 录 1 引言 1.1 考虑PCB尺寸大小 1.2 优先确定特殊元件的位置 1.3 布局方式 1.4 电源和接地线处理的基本原则 2 布局设计 2.1 合理布置元器件 2.2 妥善敷设导线 2.3 合理布置板间配线 3 设计和装配印制电路板时可采取的抗干扰措施 3.1 电磁干扰产生的机理 3.2 抑制噪声源，直接消除干扰原因 3.3 切断噪声传递途径 结论 致谢 参考文献 1 引言 PROTEL是设计电路原理图和电路板图时普遍使用的开发工具。在进行电路板即PCB设计中，把电子元件在一定的制板面积上合理地布局排版是完成产品设计的重要步骤。为使布局设计尽量合理，提高电路板的抗干扰能力，在PCB设计中一般考虑以下几个方面。 1.1 考虑PCB尺寸大小 PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且相邻的铜导线之间容易引起干扰。应根据具体电路需要确定PCB尺寸。一般情况下，要禁止布线层中指定的布线范围就是电路板的尺寸，电路板的最佳形状是矩形，长度比为3：2或4：3。 1.2 优先确定特殊元件的位置 所谓特殊元件是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影响或根据操作要求而固定位置的元件。确定特殊元件的位置是PCB布线工艺的一个重要方面，特殊元件的布局应主要注意以下方面： (1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互问的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离得太近，输入和输出元件应尽量远离。 (2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。为避免爬电现象的发生，一般要求2000V电位差之间的铜导线距离应该大于2mm。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 (3)重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。 (4)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。 (5)注意发热元器件应该远离热敏元器件。对于温度敏感的元件，如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元件的工作状态及性能。 1.3 布局方式 采用交互式布局和自动布局相结合的布局方式。布局的方式有两种：自动布局及交互式布局，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布局，完成对特殊元件的布局以后，对全部元件进行布局，主要遵循以下原则： (1)把整机电路按照功能分成若干个电路单元，按照电路的流程安排各个电路单元的位置，使信号流通更加顺畅，并使信号尽可能保持方向一致。信号从左边输入、从右边输出，或从上边输入、从下边输出； (2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。强电部分(220V)和弱电部分(直流电源供电)、输入级和输出级、数字部分和模拟部分应该分开布局； (3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数和相互间的电磁干扰。对相互可能产生影响或干扰的元件应当尽量分开或采取屏蔽措施。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产； (4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 mm。 1.4 电源和接地线处理的基本原则 由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，对电源和地的布线采取一些措施降低电源和地线产生的噪声干扰，以保证产品的质量。方法有如下几种： (1)电源、地线之间加上去耦电容。单单一个电源层并不能降低噪声，因为，如果不考虑电流分配，所有系统都可以产生噪声并引起问题，这样额外的滤波是需要的。通常在电源输入的地方放置一个l～10μF的旁路电容，在每一个元器件的电源脚和地线脚之间放置一个0.01～0.1μF的电容。旁路电容起着滤波器的作用，放置在板上电源和地之间的大电容(10μF)是为了滤除板上产生的低频噪声(如50／60 Hz的工频噪声)。板上工作的元器件产生的噪声通常在100MHz或更高的频率范围内产生谐振，所以放置在每一个元器件的电源脚和地线脚之间的旁路电容一般较小(约0.1μF)。最好是将电容放在板子的另一面，直接在元件的正下方，如果是表面贴片的电容则更好。 (2)尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0．07mm，电源线为1.2～2.5mm，用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用,做成多层板，电源，地线各占用一层。 (3)低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，保证接地线构成闭环路。 2 布局设计 2.1 合理布置元器件 PCB 的布局排列并没有统一固定的模式，但元器件布局不当是引发干扰的重要因素，所以应全面考虑电路结构，合理布置板上元器件。 首先可根据元器件布置需要确定印刷电路板的大小和形状。尺寸过大会使导线过长、增加阻抗、降低噪声容限；尺寸过小不利于散热，邻近导线、器件易发生感应。印刷电路板最经济的形状是矩形或正方形，一般应避免设计成异形，这样可降低成本。布置元器件原则上是应将输入与输出部分尽可能地分别布置在板的两极端；电路中相互关联的元器件尽量靠近，以缩短元件之间的引线；工作频率接近或工作电平相差大的元器件应相距远些，以免相互干扰。应以功能电路的核心器件为中心，外围元件围绕它进行布局。通常是以集成电路晶体三极管等元件为核心，然后根据各自的引脚功能，正确地排列布置外围元件的方向与位置。对于一些易发热的元件，如电源变压器、大功率三极管、可控硅、大功率电阻等应尽量布置在板的边缘，以利于散热。对于湿度敏感的元件，如锗三极管、电解电容器等，应尽量远离热源区。对于一些耐热性较好的元器件则尽可能设计到印刷电路板最热的区域内,我们尽量避免印刷电路板上的导线的交叉，设法减小它们的分布电容和互相之间的电磁干扰，以提高系统工作的可靠性。元器件的配置和布局应有利于设备的装配、检查、调试与维修。 2.2 妥善敷设导线 布线是PCB 设计图形化的关键阶段，设计中考虑的诸多因素都应在布线中体现出来，合理布线可使PCB 获得最佳性能。铜箔导线的布局及相邻导线间的串扰等决定PCB 的抗干扰度。严格地讲，应根据电路要求的电流强度、压降、击穿电压、分布电容等多项指标来进行核算，核算无误后，应略留余地，其设计才算初步完成。但在业余制作情况下，对于一些与安全无关或不紧要的电子装置，也可以将上述条件放松，但应尽量遵循以下原则: (1)布线密度在综合结构及电性能要求合理选取，力求布线简单，粗细均匀，在同一导线上不应出现突然由粗变细或由细变粗的现象；导线最小宽度和间距一般不小于0.2mm，布线密度允许时，适当加宽导线及其间距。 (2)主要信号线最好汇集于板中央，力求靠近地线，或用地线包围，各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路；尽量避免长距离平行布线，电路中电气互连点间布线力求最短；对高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或圆弧转折，满足这一要求可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。高频电路布线还要注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰。这样既能起到屏蔽作用，又可使高频回路具有较小的电感。 (3)同一层内的平行走线几乎无法避免，但是在相邻的两个层，走线的方向务必取为相互垂直、斜交或弯曲走线，以减小寄生耦合，这在Protel中不难办到但却容易被忽视。 (4)妥善布设与外相连信号线，尽量缩短输入引线，提高输入端阻抗。模拟信号输入线最好加以屏蔽，当板上同时有模拟、数字量时，宜将二者地线隔离，以免相互干扰。 (5)妥善处理逻辑器件多余输入端，闲置不用的门电路输出端不要悬空；闲置不用的运放正输入端要接地，负输入端接输出端；计数器、寄存器和D触发器等空闲置位/复位端，经上拉电阻接VCC；触发器多余输入端必须接地。 2.3 合理布置板间配线 印制电路板联装后，应认真检查和调整，对板间配线进行合理安排，解决设计中遗留的不妥之处。 首先要注意板间信号线应越短越好，且不宜靠近电力线，或两者相互垂直配线，以减少静电感应、漏电流的影响，必要时采取适宜的屏蔽措施。妥善配置板间接地线，采用“一点接地”方式，切忌使用串联型接地，以避免出现电位差。地线电位差会降低设备抗干扰度，是出现误动作的原因之一。 其次，应注意远距离传送的输入输出信号应有良好的屏蔽保护，屏蔽线与地应遵循一端接地原则，且仅将易受干扰端屏蔽层接地，以保证柜体电位与传输电缆地电位一致。 当用扁平电缆传输多种电平信号时，以闲置导线将各种电平信号线分开，并将该闲置导线接地。扁平电缆力求贴近地底板，若串扰严重，可采用双绞线结构的信号电缆。 3 设计和装配印制电路板时可采取的抗干扰措施 3.1 电磁干扰产生的机理 电磁干扰(EMI)是指任何可能引起设备、装置或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。产生电磁干扰需要三要素: (1)干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dl，di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 (2)传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导(CE)和空削的辐射(RE、RS)。 (3)敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A／D、D／A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。 3.2 抑制噪声源，直接消除干扰原因 3.2.1 减少辐射噪声 印制电路板在工作时会向外辐射噪声而成为噪声源；线路板中信号