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　　一、印刷線路元件布局結構設計討論 　　

一臺性能優良的儀器，除選擇高質量的元器件，合理的電路外，印刷線路板的元件布局和電氣連線方向的正確結構設計是決定儀器能否可靠工作的一個關鍵問題，對同一種元件和參數的電路，由于元件布局設計和電氣連線方向的不同會產生不同的結果，其結果可能存在很大的差異。因而，必須把如何正確設計印刷線路板元件布局的結構和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結構三方面聯合起來考慮，合理的工藝結構，既可消除因布線不當而產生的噪聲干擾，同時便于生產中的安裝、調試與檢修等。

　　下面我們針對上述問題進行討論，由于優良“結構”沒有一個嚴格的“定義”和“模式”，因而下面討論，只起拋磚引玉的作用，僅供參考。每一種儀器的結構必須根據具體要求(電氣性能、整機結構安裝及面板布局等要求)，采取相應的結構設計方案，并對幾種可行設計方案進行比較和反復修改。印刷板電源、地總線的布線結構選擇—-系統結構：模擬電路和數字電路在元件布局圖的設計和布線方法上有許多相同和不同之處。模擬電路中，由于放大器的存在，由布線產生的極小噪聲電壓，都會引起輸出信號的嚴重失真，在數字電路中，TTL噪聲容限為0.4V～0.6V,CMOS噪聲容限為Vcc的0.3～0.45倍,故數字電路具有較強的抗干擾的能力。良好的電源和地總線方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證，相當多的干擾源是通過電源和地總線產生的，其中地線引起的噪聲干擾最大。

　　二、印刷電路板圖設計的基本原則要求 　　

? ? ? 1.印刷電路板的設計，從確定板的尺寸大小開始

　　印刷電路板的尺寸因受機箱外殼大小限制，以能恰好安放入外殼內為宜，其次，應考慮印刷電路板與外接元器件(主要是電位器、插口或另外印刷電路板)的連接方式。印刷電路板與外接元件一般是通過塑料導線或金屬隔離線進行連接。但有時也設計成插座形式。即：在設備內安裝一個插入式印刷電路板要留出充當插口的接觸位置。對于安裝在印刷電路板上的較大的元件，要加金屬附件固定，以提高耐振、耐沖擊性能。

　　2.布線圖設計的基本方法

　　首先需要對所選用元件器及各種插座的規格、尺寸、面積等有完全的了解;對各部件的位置安排作合理的、仔細的考慮，主要是從電磁場兼容性、抗干擾的角度，走線短，交叉少，電源，地的路徑及去耦等方面考慮。各部件位置定出后，就是各部件的連線，按照電路圖連接有關引腳，完成的方法有多種，印刷線路圖的設計有計算機輔助設計與手工設計方法兩種。

　　最原始的是手工排列布圖。這比較費事，往往要反復幾次，才能最后完成，這在沒有其它繪圖設備時也可以，這種手工排列布圖方法對剛學習印刷板圖設計者來說也是很有幫助的。計算機輔助制圖，現在有多種繪圖軟件，功能各異，但總的說來，繪制、修改較方便，并且可以存盤貯存和打印。

　　接著，確定印刷電路板所需的尺寸，并按原理圖，將各個元器件位置初步確定下來，然后經過不斷調整使布局更加合理，

　　印刷電路板中各元件之間的接線安排方式如下：

　　(1)印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即，讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處 “鉆”過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如何電路很復雜，為簡化設計也允許用導線跨接，解決交叉電路問題。

　　(2)電阻、二極管、管狀電容器等元件有“立式”，“臥式”兩種安裝方式。立式指的是元件體垂直于電路板安裝、焊接，其優點是節省空間，臥式指的是元件體平行并緊貼于電路板安裝，焊接，其優點是元件安裝的機械強度較好。這兩種不同的安裝元件，印刷電路板上的元件孔距是不一樣的。

　　(3)同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上。特別是本級晶體管基極、發射極的接地點不能離得太遠，否則因兩個接地點間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點接地法”的電路，工作較穩定，不易自激。

　　(4)總地線必須嚴格按高頻-中頻-低頻一級級地按弱電到強電的順序排列原則，切不可隨便翻來復去亂接，級與級間寧肯可接線長點，也要遵守這一規定。特別是變頻頭、再生頭、調頻頭的接地線安排要求更為嚴格，如有不當就會產生自激以致無法工作。調頻頭等高頻電路常采用大面積包圍式地線，以保證有良好的屏蔽效果。

　　(5)強電流引線(公共地線，功放電源引線等)應盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合而產生的自激。

　　(6)阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些，因為阻抗高的走線容易發笛和吸收信號，引起電路不穩定。電源線、地線、無反饋元件的基極走線、發射極引線等均屬低阻抗走線，射極跟隨器的基極走線、收錄機兩個聲道的地線必須分開，各自成一路，一直到功效末端再合起來，如兩路地線連來連去，極易產生串音，使分離度下降。

　　三、印刷板圖設計中應注意下列幾點

　　1.布線方向：從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產過程中通常需要在焊接面進行各種參數的檢測，故這樣做便于生產中的檢查，調試及檢修(注：指在滿足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下)。

　　2.各元件排列，分布要合理和均勻，力求整齊，美觀，結構嚴謹的工藝要求。

　　3.電阻，二極管的放置方式：分為平放與豎放兩種：

　　(1)平放：當電路元件數量不多，而且電路板尺寸較大的情況下，一般是采用平放較好;對于1/4W以下的電阻平放時,兩個焊盤間的距離一般取4/10 英寸，1/2W的電阻平放時,兩焊盤的間距一般取5/10英寸;二極管平放時，1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管,一般取4～5/10英寸。

　　(2)豎放：當電路元件數較多，而且電路板尺寸不大的情況下，一般是采用豎放，豎放時兩個焊盤的間距一般取1～2/10英寸。

　　4.電位器：IC座的放置原則

　　(1)電位器：在穩壓器中用來調節輸出電壓，故設計電位器應滿中順時針調節時輸出電壓升高，反時針調節器節時輸出電壓降低;在可調恒流充電器中電位器用來調節充電電流折大小，設計電位器時應滿中順時針調節時，電流增大。電位器安放位軒應當滿中整機結構安裝及面板布局的要求，因此應盡可能放軒在板的邊緣，旋轉柄朝外。

　　(2)IC座：設計印刷板圖時，在使用IC座的場合下，一定要特別注意IC座上定位槽放置的方位是否正確，并注意各個IC腳位是否正確，例如第1腳只能位于IC座的右下角線或者左上角，而且緊靠定位槽(從焊接面看)。

　　5.進出接線端布置

　　(1)相關聯的兩引線端不要距離太大，一般為2～3/10英寸左右較合適。

　　(2)進出線端盡可能集中在1至2個側面，不要太過離散。

　　6.設計布線圖時要注意管腳排列順序，元件腳間距要合理。

　　7.在保證電路性能要求的前提下，設計時應力求走線合理，少用外接跨線，并按一定順充要求走線，力求直觀，便于安裝，高度和檢修。

　　8.設計布線圖時走線盡量少拐彎，力求線條簡單明了。

　　9.布線條寬窄和線條間距要適中，電容器兩焊盤間距應盡可能與電容引線腳的間距相符;

　　10.設計應按一定順序方向進行，例如可以由左往右和由上而下的順序進行。

　　1 oz.銅即35微米厚，2 oz.70微米, 類推

　　舉例說，線寬0.025英寸，采用2 oz.盎斯的銅，而允許溫升30度，那查表可知，最大安全電流是 4.0A 。

　　一般而言，四層電路板可分為頂層、底層和兩個中間層。頂層和底層走信號線，

　　中間層首先通過命令DESIGN/LAYER STACK MANAGER用ADD PLANE 添加INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2 分別作為用的最多的電源層如VCC和地層如GND(即連接上相應的網絡標號。注意不要用ADD LAYER，這會增加MIDPLAYER，后者主要用作多層信號線放置)，這樣PLNNE1和PLANE2就是兩層連接電源VCC和地GND的銅皮。

　　如果有多個電源如VCC2等或者地層如GND2等，先在PLANE1或者PLANE2中用較粗導線或者填充FILL(此時該導線或FILL對應的銅皮不存在，對著光線可以明顯看見該導線或者填充)劃定該電源或者地的大致區域(主要是為了后面PLACE/SPLIT PLANE命令的方便)，然后用PLACE/SPLIT PLANE在INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2相應區域中劃定該區域(即VCC2銅皮和GND2銅片，在同一PLANE中此區域不存在VCC了)的范圍(注意同一個PLANE中不同網絡表層盡量不要重疊。設SPLIT1和SPLIT2是在同一PLANE中重疊兩塊，且SPLIT2在SPLIT1內部，制版時會根據SPLIT2的邊框自動將兩塊分開(SPLIT1分布在SPLIT的外圍)。只要注意在重疊時與SPLIT1同一網絡表的焊盤或者過孔不要在SPLIT2的區域中試圖與SPLIT1相連就不會出問題)。這時該區域上的過孔自動與該層對應的銅皮相連,DIP封轉器件及接插件等穿過上下板的器件引腳會自動與該區域的PLANE讓開。點擊DESIGN/SPLIT PLANES可查看各SPLIT PLANES。

　　protel99的圖層設置與內電層分割

　　PROTEL99的電性圖層分為兩種，打開一個PCB設計文檔按，快捷鍵L，出現圖層設置窗口。左邊的一種(SIGNAL LAYER)為正片層，包括TOP LAYER、BOTTOM LAYER和MIDLAYER，中間的一種(INTERNAL PLANES)負片層，即INTERNAL LAYER。這兩種圖層有著完全不同的性質和使用方法。正片層一般用于走純線路，包括外層和內層線路。負片層則多用來做地層和電源層。因為在多層板中的地層和電源層一般都是用整片的銅皮來作為線路(或做為幾個較大塊的分割區域)，如果用MIDLAYER即正片層來做的畫則必須用鋪銅的方式來實現，這樣將使整個設計數據量非常大，不利于數據交流傳遞，且會影響設計刷新速度。而用負片則只需在外層與內層的連接處生成一個花孔(THERMAL PAD)即可，對于設計和數據傳遞都非常有利。

　　內層的添加與刪除

　　在一個設計中，有時會遇到變換板層的情況。如把較復雜的雙面板改為四層板，或把對信號要求較高的四層板升級為六層板等等。這時需要新增電氣圖層，可以如下*作：

　　DESIGN-LAYER STACK MANAGER,在左邊有當前層疊結構的示意圖。點擊想要添加新層位置的上面一個圖層，如TOP,然后點擊右邊的ADD LAYER(正片)或ADD PLANE(負片)，即可完成新圖層的添加。

　　注意如果新增的圖層是PLANE(負片)層的話，一定要給這個新層分配相應的網絡(雙擊該層名)!這里分配的網絡只能有一個(一般地層分配一個GND就可以了)，如果想要在此層(如作為電源層)中添加新網絡，則要在后面的操作中做內層分割才能達到，所以這里先分配一個連接數量較多的網絡即可。如點擊ADD LAYER則會新增一個MIDLAYER(正片)，應用方法和外層線路完全相同。如果想應用混合電氣層，即既有走線又有電源地大銅面的方法，則必須使用ADD LAYER來生成的正片層來設計(原因見下)。

　　內電層的分割

　　如果在設計中有不只一組電源，那可以在電源層中使用內層分割來分配電源網絡。這里要用到的命令是：PLACE-SPLIT PLANE,在出現的對話框中設定圖層，并在CONNECT TO NET處指定此次分割要分配的網絡，然后按照鋪銅的方法放置分割區域。放置完成后，在此分割區域中的有相應網絡的孔將會自動生成花孔焊盤，即完成了電源層的電氣連接。可以重復操作此步驟直到所有電源分配完畢。當內電層需要分配的網絡較多時，做內層分割比較麻煩，需要使用一些技巧來完成。

　　此處還需要注意一個問題：PROTEL中有兩種大銅皮的電氣連接方式(不包括PLACE FILL),一種為POLYGON PLANE,即普通的覆銅，此命令只能應用于正片層，包括TOP/BOT/MIDLAYER，另一種為 SPLIT PLANE,即內電層分割，此命令只能應用于負片層即INTERNAL PLANE。應注意區分這兩個命令的使用范圍。修改分割鋪銅的命令：EDIT-MOVE-SPLIT PLANE VERTICES

　　◇ 避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復位信號等。

　　◇ 將PCB上未使用的部分設置為接地面。

　　◇ 機殼地線與信號線間隔至少為4毫米。

　　◇ 保持機殼地線的長寬比小于5:1，以減少電感效應。

　　◇ 用TVS二極管來保護所有的外部連接。

　　◇ 已確定位置的器件、線等用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動。

　　◇ 高低壓線路應分隔放置，之間的距離應在3.5mm以上;許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。

　　◇ 導線的寬度最小不宜小于0.2mm(8mil)，在高密度高精度的印制線路中，導線寬度和間距一般可取12mil。

　　◇ 當銅箔厚度為50μm、導線寬度1～1.5mm、通過電流2A時，溫升很小。

　　◇ 在DIP封裝的IC腳間走線，可應用10-10與12-12原則，即當兩腳間通過2根線時，焊盤直徑可設為50mil、線寬與線距都為10mil，當兩腳間只通過1根線時，焊盤直徑可設為64mil、線寬與線距都為12mil。

　　◇ 焊盤孔徑：通常情況下以金屬引腳直徑值加上0.2mm作為焊盤內孔直徑，如電阻的金屬引腳直徑為0.5mm時，其焊盤內孔直徑對應為0.7mm。而焊盤直徑取決于內孔直徑，如下表：

　　△ 當焊盤直徑為1.5mm時，為了增加焊盤抗剝強度，可采用長不小于1.5mm，寬為1.5mm和長圓形焊盤，此種焊盤在集成電路引腳焊盤中最常見。

　　△ 對于超出上表范圍的焊盤直徑可用下列公式選取：

　　直徑小于0.4mm的孔：D/d=0.5～3 ;直徑大于2mm的孔：D/d=1.5～2 ;式中：(D-焊盤直徑，d-內孔直徑)

　　◇ 焊盤邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。

　　◇ 焊盤補淚滴：當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。

　　◇ 相鄰的焊盤要避免大面積的銅箔，因散熱過快會導致不易焊接。 可以采用星型連接，即保證連接的低阻抗又便于焊接。

　　◇ 大面積敷銅：印制線路板上的大面積敷銅常用于兩種作用，一種是散熱，一種用于屏蔽來減小干擾。大面積敷銅上應有開窗口，加散熱孔，應將其開窗口設計成網狀。

　　◇ 印制線路板的厚度應根據印制板的功能及所裝元件的重量、印制板插座規格、印制板的外形尺寸和所承受的機械負荷來決定。多層印制板總厚度及各層間厚度的分配應根據電氣和結構性能的需要以及覆箔板的標準規格來選取。常見的印制線路板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。

　　◇ PCB尺寸面積過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板面尺寸大于200x150mm時.應考慮電路板所受的機械強度。但實際情況是設計者選用了一定的殼體容積，從而必須在一定形狀的板上完成所有的功能。在保證各種性能完整穩定的同時，有可能還要考慮到放置一些擴展功能部件，這就對設計者提出了更高的要求，在關鍵功能芯片封裝選擇、功率計算、散熱等方面都要綜合考慮。

　　◇ 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量離。

　　◇ 某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。

　　◇ 重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。

　　◇ 根據印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。

　　◇ 地線設計的原則：

　　①數字地與模擬地分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

　　②接地線應盡量加粗。若接地線用很細的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應在2~3mm以上。

　　③接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成閉環路大多能提高抗噪聲能力。

　　◇ 退藕電容配置，配置原則是：

　　①電源輸入端跨接10 ~100uf的電解電容器。如有可能，接100uf以上的更好。

　　②原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.1uf的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個芯片布置一個1 ~ 10uf的鉭電容。

　　③對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如 ram、rom存儲器件，應在芯片的電源線和地線之間直接入退藕電容。

　　④在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時.操作它們時均會產生較大火花放電，必須采用rc 電路來吸收放電電流。一般 r 取 1 ~ 2k，c取2.2 ~ 47uf。

　　◇ CMOS管腳的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。

　　◇ 凡能不用高速邏輯電路的就不用;在電源與地之間加去耦電容;注意長線傳輸中的波形畸變。