数字集成电路装置印制板的设计

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搞技术革新的同志,在设计好电子电路后,就得要考虑印制电路板的设计了。印制电路板的元件布局、布线设计直接关系到整个装置能否稳定可靠地工作,是否便于调试和维修,是否经济等等。现在我们就来谈谈数字集成电路装置印制板的布局设计要点。

印制板基材的选用

应考虑选用电气绝缘、抗水、耐腐蚀性能良好,同时又便于钻孔、剪切等机械加工的基材作印制板。一般选用普通敷铜箔环氧树脂玻璃纤维布层压板较好,不能用纸质敷铜层压板。为便于布线设计和充分利用板面,大多用双面敷铜板。

元件布局的基本基求

(1)元件排列应有一定的次序,通常按信号传递的先后排列,不可乱跳。同一单元里的元件应适当排紧凑些,而单元与单元之间则应适当分开。(2)一些功耗大的集成块、大中功率管、电阻等元器件,要布置在容易散热的地方,并与其它元件隔开一定距离。(3)需要通过印制插头与外部电路相连接的元件,尤其是产生大电流信号或重要脉冲的集成块,应尽量布置在靠近插头的板面上。(4)时钟脉冲发生器及时序脉冲发生器等信号源电路应考虑有较宽裕的安装位置,以减少和避免对其它电路的干扰。(5)必须安装在印制板上的继电器、电感元件等,由于会产生较大的干扰磁场,一般应远离别的元件。(6)装在振动装置中的电子电路,印制板上的元件轴向应与机器的主要振动方向一致。

印制板尺寸和数量的决定

为了提高装置的可靠性,应尽量减少整个装置所用印制插件板与插座间的接触点、底板连接线和焊接点等,所以能用一块大些的印制板解决问题的,不要分成两块或更多小块。

确定印制板尺寸的方法是:先把决定要安装在一块印制板上的集成块和其它元件全部按布局要求排列在一张纸上,排列时要随时注意使形成的印制板的长宽比符合或接近实际要求的长宽比。各个元件之间应空开一定的间隙,一般取5~15毫米,有特殊要求的电路还应放宽。间隔如太小,将使布线困难,元件散热不易,调试维修不方便;间隔太大,印制板的尺寸就大,由印制导线电阻、分布电容和电感等引起的干扰也就增加。待全部元件都放置完毕,印制板的大致尺寸也就知道了。如形成的印制板长宽比与实际要求有出入,可在不破坏布局的前提下,对长宽比进行适当调整,例如图1排列方式可以调整如图2。

图1
图1 🔍原图 (499×433)
图2
图2 🔍原图 (493×426)

印制板的布线设计

元件布局工作完成后,就可用铅笔在代表印制板的纸上画上各个元件的轮廓,然后根据电路图安排、绘制各个元件间的连线——即布线设计。布线设计是印制板设计中一项较费时的工作,灵活性很大,并没有什么一成不变的规则图案可供套用,可以根据以下的布线设计要点和要求考虑安排。

(1)一般印制板的铜箔厚度约为35微米左右,当这种铜箔形成一条宽0.5毫米、长10厘米的印制导线时,其电阻已有0.1欧左右。当通过较大的直流或脉冲电流时,其压降就较为可观。因此,为了减小电阻并使加工方便可靠,印制导线的宽度通常不应小于0.5毫米,地线、电源线应放宽到1.5~2.5毫米,印制板四周的地线宽度还可放宽到5毫米以上;用于连接正反面印制导线的焊盘孔或金属化孔(见图3)不应与元件孔合用;焊盘的外径应不小于2毫米,孔径应根据元件引线粗细决定,一般为0.8~1.2毫米,以小些为好。焊盘与印制导线、印制导线与印制导线间的距离应大于0.5~1毫米,对载有弱信号或大电流的印制导线尤应注意,最好取1.5~2毫米。布线应尽量避免交叉,如实在避免不了,可在交叉点两旁设置两个焊盘,然后在焊盘背面用导线连接(图4)。如焊盘背面有其它印制导线或元件,那就只好在焊盘面上焊上连接导线。通常把地线、电源线及其它一些与地线、电源线联系较多的线布置在印制板的一面,另一面布置信号线等,布置信号线一面的四周最好也布上地线。

图3
图3 🔍原图 (510×438)
图4
图4 🔍原图 (537×411)

(2)布线要短、直、粗、就是说印制导线要尽量避免或减少迂回曲折,以减少导线捡拾和发散各种干扰信号。选用的印制板插座的线数应与印制板上实际外连线数相适应。例如图5和图6是同一电路的印制板布线图,可以看出图6的布线要简捷合理得多,插座选用也较合适。

图5
图5 🔍原图 (373×349)
图6
图6 🔍原图 (361×301)

(3)每块集成电路的地线最好分开。像图7这样的安排就不太合适,因为电路1和2的地线有一段(AB段)是公共线,由于数字电路中许多信号的变化速度都很快,瞬时快速变化的电流信号在较短的一段导线(等效于一个电感和电阻相串联的阻抗元件)上就可能产生较大的电压。在AB段共阻抗地线上,由于有两个电路的电流通过,I=I\(_{1}\)+I2(图8),就容易对电路1和电路2产生干扰。

图7
图7 🔍原图 (390×327)
图8
图8 🔍原图 (421×349)

实际布线时,常常在一块印制板上要安排多块集成电路,也可采用图9所示的方法,另外用外接导线将地线(电源线也一样)多端交错连接起来。对于一般要求不太高的电路,如果共地线不长,且地线宽度足够,也可以允许存在,但要避免形成大、小信号电路、单元电路间的共地线。

图9
图9 🔍原图 (455×464)

通常,具体布置印制板的地线时,应首先考虑在印制板两面或一面的四周布上地线干线,再在每排集成块或每个电路单元上布上地线支线,随后按减小和消除共阻抗的原则考虑各条地线的连通。

减小电源印制导线的阻抗和共阻抗也是很重要的,除一般不考虑在印制板四周布置大面积电源干线外,其它基本与处理地线的方法相同。

(4)减小电源及地线阻抗的一种较好的方法是采用低阻抗的直流供电汇流条,其结构见图10。图10a是双层汇流条,10b是三层形。此外还有多层形的,即中间几层分别为各种供电电压层,而地线层则每隔一层供电层交替插在里面,形成“包围”结构。采用这种汇流条作为印制板的一个专门元件来连接各元件或电路的电源线和地线,不仅使供电系统达到了低阻抗和较好地解决了共阻抗问题,而且在印制板上不需再布置电源线和地线,因而大大简化了印制板的布线设计,同时对元件的散热也有一定好处。

图10
图10 🔍原图 (536×448)

汇流条的特性阻抗Z0可由下式算出:

Z\(_{0}\)=377\(\sqrt{ε}\)·h;w(w》h)

式中ε为绝缘层的相对介电系数,\(\frac{h}{w}\)为绝缘层的厚宽比。(王德沅)