PCB抗干扰设计

设计PCB的本身不在于PCB，而在于让电路行之有效后，解决人们的实际问题！

常识（弱相关）：我们知道电子器件一般都怕水，没有特殊的保护措施水浸过后会出现电路短路、电路板腐蚀等问题，使得电路板不能正常使用，电路不工作。除此之外，长期处于充满灰尘油渍的环境，，或者易产生静电干扰的环境，亦或者是温湿度长期不适宜的环境，这些都会对我们设计的电路板产生干扰，只不过有的是后期的干扰，在设计电路板的时候我们主要考虑的是前期设计到生产制造到成品时外界可能对电路板的干扰（比如电磁、噪声等）以及电路板自身产生的干扰（比如变压器产生的电磁干扰）

抗干扰问题是电路设计的重要环节，直接反映了整个系统的性能和可靠性。印刷电路板的抗干扰设计与特定电路密切相关。

常见抗干扰措施：

电源线设计

根据印刷线路板电流的大小，尽量 加大电源线宽度 ，减少环路电阻，同时使电源线、地线的走向和数据传递的 方向一致 ，这样有助于增强抗噪声能力

地线设计三大原则

1.数字地与模拟地分开，低频电路的地应尽量采用单点并联接地，高频电路宜采用多点串联接地，地线应该短而粗，高频元件周围尽量用栅格状的大面积接地箔
2. 接地线应尽量加粗，将接地线加粗，使它能够通过三倍于印刷板上的允许电流（如果接地线很直，则接地点位会随电流的变化而变化，从而降低了抗噪性能），如果可能，接地线应再2~3mm以上
3. 接地线构成闭环路，只有数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力

在混合信号应用中，通常将模拟电源和数字电源分开（这是因为在电路中加入电源时，电源就会增加不良的接地路径，或者流入现有接地路径的电源电流相当大和/或具有高噪声，从而破坏信号传输（提醒：搞电赛做信号测试的同学注意这块，前端的电源可能会影响信号测试的准确性，有可能一直无法得到想要的数据，问题就出在这个地方），同时将在星型点处相连的模拟地和数字地分开。星点（模拟/数字公共点）应确保数字电流不会流入系统模拟部分的地。在电源处设置公共点通常比较便利。

如果转换器的逻辑电源利用一个小电阻隔离，并且通过0.1uF(100nF)电容去耦到模拟地，则转换器的所有快速边沿数字电流都将通过该电容流回地，而不会出现在外部地电路中。如果保持低阻抗模拟地，而能够充分保证模拟性能，那么外部数字地电流所产生的额外噪声基本上不会构成问题。

请注意：高精度混合信号系统要充分发挥性能，必须具有单独的模拟地和数字地以及单独电源，这一点至关重要。模拟部分必须使用此类电源以最高性能运行，而不只是保持运行。

退耦电容配置

1.电源输入端跨接10-100uf的电解电容器，如果可能的话，最好连接100uF以上的电容
2.原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如果印刷电路板没有足够的空间，则可以每4_{8个芯片布置一个1}10pF的电容器
3. 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大（功率变化较大）的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地之间直接连接一个去耦电容器
4. 电容器的引线不应太长，特别是高频旁路电容器不应有引线

补充：对信号要求很高的同学，可以了解一下蛇形线，等长线，差分对

补充重要理论（以前认为是前者，后来发现是后者）：差分对两边线长不一样导致信号不同步并不是因为信号在长线上传输时间更长，而是因为长线线圈上的寄生电感导致信号移相了

本质：都是为了保证信号的质量和电路的正常且稳定的工作 ，高速PCB通常考虑阻抗、路径尽可能短，线尽可能等长、敏感信号走线路径尽可能短，周围尽量少器件、无干扰器件，同时做好隔离（如天线）和防干扰（如晶振包地处理）等措施。

消除PCB设计中电磁干扰的方法

1. 减少环路。每个环路等效一个天线，应最小化环路数量&面积&天线效应。确保信号再任意两点只有一条环路，避免人为环路，并尽可能使用电源平面
   2.滤波。滤波可用于降低电源线和信号线上的EMI。三种方法：去耦电容器、EMI滤波器、磁性元件
   3.屏蔽（关于屏蔽可以参考《接地与屏蔽技术》类似的书籍）
   4.最小化高频设备的速度
   5.提高PCB板的介电常数可以防止PCB附近的传输线等高频部分向外辐射；增加PCB板的厚度并最小化微带线的厚度可以防止电磁线溢出并防止辐射

其他注意事项：

设计电源层时，勿让这些层公用走线，因为额外的走线和过孔会将电源层分割成较小的碎块，从而迅速损害电源层。由此产生的稀疏电源层可以将电流路径挤压到最需要这些路径的地方，即转换器的电源引脚。挤压过孔与走线之间的电流会提高电阻，导致转换器的电源引脚发生轻微的压降。

电源层的放置至关重要，切勿将高噪声的数字电源层叠放再模拟电源层上，否则二者虽然位于不同的层，但仍有可能耦合。为将系统性能下降的风险降至最低，设计中应尽可能将这些类型的层隔开而不是叠加在一起。

采用充分去耦的低阻抗电源层或接地层以及良好的PCB层叠（六层堆叠可能包含顶层信号层、第一接地层、第一电源层、第二电源层、第二接地层和底部信号层），可以将因电路的电流需求而产生的电压纹波降至最低。

多层板能够同时支持信号线交叉和连续接地层，而无需考虑线链路问题。多层板屏蔽效果更好，信号路由更佳！与双层板相比，相关原理仍然保持不变，但布局布线选项更多。对于高性能混合信号电路而言，使用至少具有一个连续接地层的双面或多层PCB无疑是最成功的设计方法之一。

接地层

可以解决很多的阻抗问题，但即使一片连续的铜箔，也会有残留电阻和电感，特定情况下，足以妨碍电路正常工作。

针对高频工作的接地，一般提倡电源和信号电流最好通过接地层返回，而且该层还可以为转换器、基准电压源和其它子电路提供参考节点。

应在数个位置提供焊盘和过孔，以便安装背靠背肖特基二极管或铁氧体磁珠，此外，需要时可以使用跳线将模拟和数字接地层连接在一起

保持低阻抗大面积接地层对目前所有模拟电路都很重要。接地层不仅用作去耦高频电流（源于快速数字逻辑）的低阻抗返回路径，还能将EMI/RFI辐射降至最低。接地层的屏蔽作用，电路受外部EMI/RFI的影响也会降低。

接地层还允许使用传输线路技术（微带线或带状线）传输高速数字或模拟信号，此类技术需要可控阻抗。（详情参考《接地与屏蔽技术》）

敏感的模拟元件，例如放大器和基准电压源，必须参考和去耦至模拟接地层（使用低电感、表面贴装陶瓷电容，将电源引脚直接去耦至接地层）。

将数据缓冲器放置在转换器旁**不失为好办法,可将数字输出与数据总线噪声隔离开。数据缓冲器也有助于将转换器数字输出上的负载降至最低，同时提供数字输出与数据总线间的法拉第屏蔽。某些情况下，甚至需要在模拟接地层上紧靠转换器输出提供额外的数据缓冲器，以提供更好的隔离。

最好提供针对模拟电路和数字电路的独立电源。模拟电源应当用于为转换器供电。如果转换器具有指定的数字电源引脚(VD),应采用独立模拟电源供电。所有转换器电源引脚应去耦至模拟接地层，所有逻辑电路电源引脚应去耦至数字接地层。如果数字电源相对安静，则可以使用它为模拟电路供电，但要特别小心。

某些情况下，不可能将VD连接到模拟电源。一些高速IC可能采用+5V电源为其模拟电路供电，而采用+3.3V或更小电源为数字接口供电。这种情况下，IC的+3.3V引脚应直接去耦至模拟接地层。另外建议将铁氧体磁珠与电源走线串联，以便将引脚连接到+3.3V数字逻辑电源。

三步骤实现裸露焊盘的最佳电气和散热连接：

1. 在各PCB层上复制裸露焊盘，为所有接地提供较厚的散热连接，实现快速散热，对于高功耗器件尤其重要，同时在电气方面为所有接地层提供良好的等电位连接。底层上复制裸露焊盘，可以作为去耦接地点和安装散热器的地方
2. 将裸露焊盘分割成多个相同的部分，确保器件与PCB之间形成可靠、均匀的连接
3. 确保各部分都有过孔连接到地。确保裸露焊盘焊膏不会回流到过孔空洞中，否则会降低正确连接的机率

信号相关理论

明确信号是如何产生的，如何进行分析与处理，以及后续电路的优化与改善才是王道

一般刚开始我们是先进行理论推导出来具体有什么信号分量，相关信号分量的理论分析与计算、以及数形结合方法导出来的幅频特性等，后面大多通过仪器直接测出来，通过屏幕直接显示出来具体的数值。不同阶段使用的方式不一样，但不可否认，基础理论非常重要，特别是面对一些较为复杂的问题，基础必须扎实才能够游刃有余，更快的给出解决方案并处理问题！

推荐书籍及课程：《信号与系统》（推荐北邮的）、《工程测试技术》、《信号完整性与电源完整性分析》、《通信原理》等书籍，同时也推荐看看《精通开关电源设计第3版》（只要有板子就会有电源，对于像主板CPU这种，电源的分配与布局也是相当关键的，况且只要有板子的地方，电源就会存在，学好开关电源做开发板调试开发板、维修开发板等都将会变得更加的容易哦）

下一期：PCB焊接与调试精要