高频电路PCB设计的十大布线技巧：从信号完整性与阻抗匹配讲起

当数字逻辑电路的工作频率达到或超过45MHz至50MHz，并且运行在这一频率之上的电路模块占整个电子系统的相当比重（例如三分之一）时，我们通常就称之为高频电路。高频电路设计本身极具复杂性，而其中的布线环节，更是决定整个设计成败的重中之重！

1. 多层板布线的明智之选

高频电路往往集成度高，布线密度大。采用多层板不仅是布线空间的必然需求，更是降低干扰的有效手段。在PCB Layout阶段，合理选择层数并规划板层尺寸至关重要。这样做可以充分利用中间层进行屏蔽设置，实现更优的近端接地，有效降低寄生电感、缩短信号传输路径，并大幅减少信号间的交叉干扰。有数据显示，使用相同材料时，四层板的噪声水平可比双层板低20dB。

当然，层数增加也意味着制造工艺更复杂、成本更高。因此，除了选择合适的PCB层数，还需要进行周密的元器件布局规划，并遵循正确的布线规则来完成整个设计。

2. 引线弯折：少即是好

高频电路布线时，器件管脚间的引线应优先采用直线。如果必须转折，使用45度斜线或圆弧转折是更好的选择。这一要求不仅能减少高频信号对外部的辐射发射，还能削弱信号线之间的相互耦合。

3. 引线长度：越短越优

信号的辐射强度与走线长度成正比。高频信号线越长，就越容易耦合到邻近的元器件上。因此，对于时钟、晶振、DDR数据线、LVDS、USB、HDMI等关键高频信号线，核心原则就是：在满足布线规则的前提下，尽可能缩短走线长度。

4. 层间交替：尽可能减少

这里的“层间交替”主要指连接元件时使用的过孔（Via）数量。据估算，一个过孔可能带来约0.5pF的分布电容。减少过孔数量能有效提升信号速度，并降低数据传输出错的可能性。

5. 警惕平行走线带来的串扰

高频电路布线必须警惕因信号线近距离平行走线而引入的“串扰”。串扰是指没有直接电气连接的信号线之间，通过电磁场耦合产生的噪声干扰。

由于高频信号以电磁波形式沿传输线传播，信号线本身就像天线，会向周围空间辐射电磁能量。这种不期望的电磁场耦合就形成了串扰。PCB层参数、线间距、驱动/接收端的电气特性以及端接方式都会影响串扰的大小。

为了抑制串扰，在布线时应努力做到以下几点：

• 插入地线隔离：在布线空间允许时，在易受串扰的两条线之间插入地线或铺设地平面，能起到有效的隔离作用。
• 利用反面地层：当无法避免平行走线时，可以在平行信号线所在层的反面布置大面积地平面，这能显著减少干扰。
• 增加间距与减少平行长度：在条件许可下，加大相邻信号线间距，并缩短它们的平行走线长度。时钟线应尽量与关键信号线垂直布线。若同层内平行走线不可避免，则相邻层的走线方向应相互垂直。
• 关键时钟线的特殊处理：时钟信号边沿变化快，易产生串扰。设计中常用地线包围时钟线，并多打地线孔来减少分布电容，从而抑制串扰。对于高频时钟，更推荐使用低压差分信号并采用完整的包地处理。
• 处理闲置输入端：闲置的输入端不要悬空，应将其接地或接电源（在高频回路中，电源也是“地”）。悬空的引脚可能等效为天线，接地则可以抑制不必要的辐射。

6. 为电源引脚添加高频退耦电容

应在每个集成电路块的电源引脚附近，就近添加一个高频退耦电容。这能有效抑制电源引脚上产生的高频谐波，防止其形成干扰。

7. 隔离数字地与模拟地

当模拟地线和数字地线需要连接到公共地时，应采用高频扼流磁珠进行连接，或在合适位置进行单点互联并实现隔离。

高频数字地线的电位通常并不均匀，且常常带有丰富的高频谐波分量。如果直接将数字地与模拟地相连，这些谐波极易通过地线耦合干扰敏感的模拟信号。因此，将两者隔离是保证电路性能的常见做法。

8. 避免形成走线环路

应尽量避免各类高频信号走线形成环路。如果实在无法避免，也必须将环路面积控制到最小。

9. 确保良好的信号阻抗匹配

信号在传输过程中，如果遇到阻抗不匹配的情况，就会发生反射。反射会导致合成信号产生过冲，使信号在逻辑门限附近波动，严重影响信号完整性。

消除反射的根本在于实现良好的阻抗匹配。负载阻抗与传输线特性阻抗相差越大，反射就越严重。因此，应尽可能使信号传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。同时，PCB上的传输线应避免突变或尖角拐弯，尽量保持线上各点的阻抗连续，否则在不同线段之间也会产生反射。

这就要求在进行高速PCB布线时，必须遵守以下具体规则：

• USB布线：要求差分走线，线宽10mil，线距6mil，地线与信号线间距也为6mil。
• HDMI布线：要求差分走线，线宽10mil，线距6mil，每两组HDMI差分对之间的间距应超过20mil。
• LVDS布线：要求差分走线，线宽7mil，线距6mil，目的是将差分对的阻抗控制在100Ω±15%以内。
• DDR布线：DDR1要求信号尽量少打过孔，线宽一致，线距相等，并满足2W原则以减少串扰。对于DDR2及以上更高速率的器件，还要求数据线进行等长布线，以保证信号的同步与阻抗匹配。

10. 保持信号传输完整性，防止地弹

最后一点，是保持信号传输的完整性，特别注意避免因不合理的地线分割而引发的“地弹”现象。地弹本质上是一种地线噪声，会严重影响电路的稳定工作。

掌握并灵活运用这些布线技巧，是应对高频电路设计挑战的基础。如果你在实践中遇到了更具体的问题，或想与更多同行交流PCB设计的经验，欢迎来 云栈社区 的相关板块分享与探讨。