关于Protel在高频电路步线中的技巧

数字器件正朝着高速、低耗、小体积、高抗干扰性的方向发展，这一发展趋势对印刷电路板的设计提出了很多新要求。Protel软件在国内的应用已相当普遍，然而，不少设计者仅仅关注于Protel软件的“布通率”，对Protel软件为适应器件特性的变化所做的改进并未用于设计中，这不仅使得软件资源浪费较严重，更使得很多新器件的优异性能难以发挥。本文拟在简介高频电路布线一般要求的同时，以Protel for Windows V1.5软件为例来介绍一下高频电路布线时Protel软件能提供的一些特殊对策。
　　(1)高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段。 Protel for Windows V1.5能提供 16个铜线层和4个电源层，合理选择层数能大幅度降低印板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，能更好地实现就近接地，能有效地降低寄生电感，能有效缩短信号的传输长度，能大幅度地降低信号间的交叉干扰等等，所有这些都对高频电路的可靠工作有利。有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。但是，板层数越高，制造工艺越复杂，成本越高。
　　(2)高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好。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，这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。用Protel布线时可在以下两处预先设置，一是在“Options”菜单的“Track Mode”子菜单中预约以 45／90 Line或 90 Arc／Line方式布线，二是在“Auto”菜单的“Setup Autorouter…”项所打开的Routing Passes”对话框中选定“Add Arcs”，以便自动布线结束时使转角圆弧化。
　　(3)高频电路器件管脚间的引线越短越好。Protel满足布线最短化的最有效手段是在自动市线前对个别重点的高速网络进行“布线”预约。首先，打开“Netlst”菜单的“Edit Net”子菜单，会出现一个“Change Net”对话框，把此对话框中的“OptimizeMethod（布线优化模式）”选为“Shortest（最短化）”Rp可。其次，从整体考虑，元件布局时用“Auto”中Placement Tools－Shove’和“Auto”中的“Density(密度检查)”来对比调整，使元件排列紧凑，并配合“Netlist”菜单中的“Length”功能和“Info”菜单中的Lengthof selection”功能，对所选定的需最短化的重点网络进行布线长度测量。
　 （4）高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好。所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔（Via）越少越好，据测，一个过孔可带来约0.5 pF的分布电容，减少过孔数能显着提高速度。Protel软件专门提供了这一功能，它在 Auto菜单的Setup Autorouter…”项所打开的Routing Passes”对话框中，有一个“Advanced”栏目，把其中的“Smoothing”设为接通即可。
　 （5）高频电路布线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。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，这在Protel中不难办到但却容易忽视。在“Auto”菜单的“Setup Autorouter…项所打开的Routing Lagers对话框中允许对每一层的走线方向进行预定，供预选的方向有三种：“Horizontal、Vertical和 No Prefer－ence”，不少用户习惯选用“No Preference（无特定取向）”，认为这样布通率高，但是，在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行。同一层内的平行走线无法避免，但可以在印板反面大面积敷设地线来降低干扰（这是针对常用的双面板而言，多层板可利用中间的电源层来实现这一功能），Protel软件过去只提供了简单的“Fill”功能来应付这种需求，现在Windows下的Protel除此之外还在“Edit”菜单的“Place”选项中提供了更强大的放置“Polygon Plane”的功能，即：多边形栅格（条）铜箔面，如果在放置它时就把多边形取为整个印板的一个面，并把此栅格（条）与电路的GND网络连通，那么，该功能将能实现整块电路板的某一面的“铺铜”操作，经过“铺铜”的电路板除能提高刚才所讲的高频抗干扰能力外，还对散热、印板强度等有很大好处，另外，在电路板金属机箱上的固定处若加上镀锡栅条，不仅可以提高固定强度，保障接触良好，更可利用金属机箱构成合适的公共线。在软件菜单中打开此功能后可见到一个“Place Polygon Plane对话框，它会问你是否要把所放置的多边形栅格（条）与网络接通（connect net），若接通该项，退出对话框时将提示你给出欲接通的网络名，给定接通GND网络将能起到屏蔽层的作用。同时还会问你“铺铜”的图案是用水平条（horizonta）、竖直条（vertica）还是栅格（两者都选即可）。选用栅格将会有较好的屏蔽效果，同时，栅格网的尺寸（习惯称作为“目”）确定依据所要重点屏蔽的干扰频率而定。
　 （6）对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。该措施在Protel软件中也能自动实现，它就是“Edit”菜单的“Place”下的“Outline Select－ed Items”，即：绘制所选对象的外轮廓线。利用此功能，可以自动地对所选定的重要信号线进行所谓的“包地”处理，当然，把此功能用于时钟等单元局部进行包地处理对高速系统也将非常有益。
　 （7）各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路。Protel自动布线的走线原则除了前面所讲的最短化原则外，还有基于X方向、基于Y方向和菊花状（daisy）走线方式，采用菊花状走线能有效避免布线时形成环路。具体可打开‘Netlist”菜单的“Edit Net”子菜单，出现一个“Change Net”对话框，把此对话框中的“Optimize Method（布线优化模式）”选为“Daisy Chain”即可。
　 （8）每个集成电路块的附近应设置一个高频退耦电容。由于Protel软件在自动放置元件时并不考虑退耦电容与被退耦的集成电路间的位置关系，任由软件放置，使两者相距太远，退耦效果大打折扣，这时必须用手工移动元件（“ Edit”、“ Move”“component”）的办法事先干预两者位置，使之靠近。
　 （9）模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。在实际装配高频扼流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠，在电路原理图上对它一般不予表达，由此形成的网络表（netlist）就不包含这类元件，布线时就会因此而忽略它的存在。针对此现实，可在原理图中把它当作电感，在PCB元件库中单独为它定义一个元件封装，布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。

电子线路CAD分析中高频电路的局限性
电子线路CAD模拟软件PSPICE具有很强的 功能，在电子线路设计中具有广阔的应用前景，但由于它对中高频下的电路复杂参数无法准 确地描述，从而也就给高频电路的分析带来较在的困难。
关键词：电路模拟软件；PSPICE；频率电路；固有频率

探索片式电感的高频应用
引言

随着电子信息产业的迅猛发展,片式电感作为新型基础无源器件,以其良好的性能价格比和便于高密度贴装等显着优点,迅速得到了广泛应用,尤其在以移动手机为代表的通信终端设备中,片式电感获得了典型的高频应用。由于RF电路的工作频率不断提升,片式电感在应用方面的性能特点发生了明显变化,已经开始显现出低端微波频段的工作特性。因此，为有效提升片式电感的电性参数，改善RF电路性能，必须进一步分析其低频特性与高频特性的不同规律。
另一方面，不断推陈出新的通信系统（GSM、CDMA、PCS、3G…）使得片式电感的工作频率逐步达到了2GHz甚至更高。因此，以传统的集中参数电路理论对片式电感器件进行阻抗分析，则显现出越来越明显的局限性。探索适合高频条件下的工程分析手段也已成为片式电感研发、生产、分析和应用的重要课题。

阻抗分析

电感的物理意义是利用导电线圈储存交变磁场能量,而在实际电路应用中,电感器件的主要作用则是向电路提供所需的感性阻抗,在与其他相关元件配合下完成相应的电路功能（匹配、滤波、振荡等）。常见的片式电感器件包括叠层片式、绕线片式、光刻薄膜等形式，其生产工艺和内电极结构均有所不同。但在中低频率条件下,由于信号波长远大于器件尺寸,器件的电路响应受内电极结构的影响较小,通常都可以采用集中参数等效模型（见图一）对片式电感的阻抗特性予以近似分析。据此可推导出常用电性能参数的函数式。
导纳函数
Y(j )=({1}over{R_{O}}+{r}over{r^{2}+ ^{2}L^{2}_{O}})+j( C_{O}-{ L_{O}}over{r^{2}+ ^{2}L^{2}_{o}})
则阻抗函数
Z(j )={1}over{Y(j )}=R( )+j ( )
可近似导出阻抗
Z( )=sqrt{R^{2}( )+ ^{2}( )}
={ L_{O}}oversqrt{({ L_{O}}over{R_{O}}+{r}over{ L_{O}})^{2}+(1-{ ^{2}}over{SRF^{2}})^{2}}
电感量
L( )={ ( )}over{ }={L_{O}(1-{ ^{2}}over{SRF^{2}})}over{({{ L_{O}}over{R_{O}}+{r}over{ L_{O}})^{2}+(1-{ ^{2}}over{SRF^{2}})^{2}}
品质因素
Q( )={ ( )}over{R( )}={(1-{ ^{2}}over{SRF^{2}})}over{({ L_{O}}over{R_{O}}+{r}over{ L_{o}})}
其中
SRF={1}over{2 sqrt{L_{O}C_{O}}}
=2 F
由这些函数表达式不难归纳出
(1)在工作频率低于自谐频率SRF时，片式电感的阻抗特性非常接近理想电感而呈现较好的线性特性，品质因素Q也较高，因此通常以此确定电感的额定工作频段；
(2)在电感量L0为额定值时，提高自谐频率SRF的唯一方法是减小寄生电容C0；
(3)在低频工作区,降低内电极电阻r将有效提升品质因素Q值，而在高频工作区，减小电磁漏损（增大R0）对Q值的提高则更为显着；
(4)当工作频率 高于自谐频率SRF时,片式电感呈现出容性阻抗特性。
通常应用中，利用阻抗分析仪检测片式电感端电极间的Z（ ）、L（ ）、Q（ ）等参数，即可准确反映出工作频率下实际电路的响应特性，据此可进行准确的电路设计与器件选择。作为比较，图2中列出相同规格的高频电感（SGHI1608H100N）与铁氧体电感（SGMI1608M100N）的L（f）、Q（f）参数曲线，显然高频电感有更高的自谐频率和线性工作频段，而铁氧体电感则有较高的Q值。

高频分析

当工作频率较高（2GHz左右）时，信号波长逐渐可以与器件尺寸相比拟。片式电感的阻抗呈现出明显的分布特性，即不同的参考位置存在不同阻抗。图1所示的分析模型已不适合用以描述高频工作的电感器件。在高频条件下，器件的电路响应可随其尺寸和空间结构的不同而发生相应变化，常规的阻抗测量参数已不能准确反映实际电路中的响应特性。以某型号移动手机RF功放电路为例，其中两款用于阻抗匹配的高频电感（工作频率1.9GHz）均采用光刻薄膜式电感，若以相同规格及精度，但Q值明显较高的叠层片式电感（测量仪器HP-4291B）予以取代，其结果却是电路传输增益下降近10％。说明电路匹配状态下降，用低频分析方法显然无法准确解释高频应用问题，仅仅关注L（ ）和Q（ ）对片式电感的高频分析是不适宜的，至少是不够的。
电磁场理论在工程中常用来分析具有分布特性的高频应用问题。通常在利用阻抗分析仪（HP-4291B）对片式电感进行的测量中，可通过夹具补偿和仪器校准等手段将测量精度提高到 0.1nH左右，理论上足以保证电路设计所需的精度要求。但不容忽视的问题是，此时的测量结果仅仅反映了匹配状态下（测量夹具设计为精确匹配）电感器件端电极界面之间的参数性能，对电感器件的内部电磁分布情况和外部电磁环境要求却未能反映出来。相同测试参数的电感可能因内电极结构不同而存在完全不同的电磁分布状态，在高频条件下，片式电感的实际电路应用环境（近似匹配、密集贴装、PCB分布影响）与测试环境往往有差异，极易产生各种复杂的近场反射而发生实际响应参数（L、Q）的微量变化。对RF电路中的低感值电感，这种影响是不容忽视的，我们把这种影响称之为“分布影响”。
高频电路（包括高速数字电路）设计中，基于电路性能、器件选择和电磁兼容等因素的考虑，通常是以网络散射分析（S参数）、信号完整性分析、电磁仿真分析、电路仿真分析等手段，来综合考量实际电路系统的工作性能。针对片式电感器件的“分布影响”问题，一个可行的解决方案是对电感器件进行结构性电磁仿真并精确提取相应的SPICE电路模型参数，作为电路设计的依据，以此有效减小电感器件在高频设计应用中的误差影响。国外（日本）主要元器件企业的片式电感产品技术参数大多包含有S参数，通常可用于精确的高频应用分析。

电路应用

在高频电路中比较常用的片式电感有光刻薄膜电感、片式绕线电感和叠层片式电感三种。由于内电极的结构特点有明显不同，即使参数规格相同情况下，其电路响应却不尽相同。实际电路应用中对电感器件的选择有一定规律和特点，在此可略作归纳如下：
阻抗匹配：射频电路（RF）通常由高放（LNA）、本振（LO）、混频（MIX）、功放（PA）、滤波（BPFLPF）等基本电路单元构成。在特性阻抗各不相同的单元电路之间，高频信号需要低损耗耦合传输，阻抗匹配成为必不可少。典型方案是利用电感与电容组合为“倒L”或“T”型匹配电路，对其中的片式电感，匹配性能的好坏很大程度是取决于电感量L的精确度，其次才是品质因素Q的高低。在工作频率较高时，往往使用光刻薄膜电感来确保高精度的L。其内电极集中于同一层面，磁场分布集中，能确保装贴后的器件参数变化不大。
谐振放大：典型的高频放大电路通常采用谐振回路作为输出负载。对其增益和信噪比等主要性能参数来说，片式电感的品质因素Q成为关键。L的少许误差影响可由多种电路形式予以补偿和修正，因而多采用绕线片式电感和叠层片式电感，对工作频率下的Q值要求较高。而薄膜片式电感无论是价格还是性能在此都不适合。
本地振荡：本振电路（LO）必须由含振荡回路的放大电路构成，通常是以VCO－PLL的形式向RF电路提供精确的参考频率，因此本振信号的质量直接影响着电路系统的关键性能。振荡回路中的电感必须具有极高的Q值和稳定度，以确保本振信号的纯净、稳定。由于石英晶体具有相对较宽的阻抗动态补偿，此时对片式电感的L精度要求并不是首要指标，因此叠层片式电感和绕线片式电感多被用于VCO电路。
高频滤波：低通滤波（LPF）常见于高频电路的供电去耦回路，有效抑制高次谐波在供电回路的传导，额定电流和可靠性是首要关注参数；而带通滤波（BPF）则多用于高频信号的耦合，或同时兼有阻抗匹配的作用。此时插入衰减要尽量小，L、Q是此时的重点参数。综合比较，叠层片式电感最适合这种应用。