電路板布局的混合信號 PCB設計指南

2022-03-28

電路板布局的混合信號 PCB設計指南

一些可能是混合信號 PCB設計一部分的布線(xiàn)

電子產(chǎn)品過(guò)去由多個(gè)電路板組成，每個(gè)電路板處理不同的設計功能。深入其中一個(gè)舊系統可能會(huì )發(fā)現處理器板、電源板、音頻和視頻卡，甚至是風(fēng)扇控制 PCB。隨著(zhù)對更小電子產(chǎn)品、更強大功能的需求以及降低制造成本的需求，這些多板系統中的許多已被一種混合信號設計所取代。

乍一看，混合信號 PCB布局與任何其他布局基本相同。必須放置零件，必須布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并且必須連接電源和接地層。然而，一旦你仔細觀(guān)察，你會(huì )發(fā)現如果你沒(méi)有準備好，有一些獨特的要求可能會(huì )給設計帶來(lái)挑戰。我們將在這些混合信號 PCB設計指南中列出這些要求，以幫助您進(jìn)行下一個(gè)設計。

混合信號 PCB布局中的元件布局

在準備布局混合信號 PCB設計時(shí)，必須在開(kāi)始放置元件之前制定設計的平面圖。有許多創(chuàng )建平面圖的方法，從在餐巾紙背面繪圖到使用高級CAD軟件。無(wú)論您選擇哪種方式，首先制定平面圖將幫助您劃分不同的電路區域，以便在您布置PCB時(shí)它們的信號不會(huì )混合。此步驟對于最大限度地減少電路板數字和模擬部分之間的串擾和 EMI 等噪聲問(wèn)題非常重要，并且通?？梢蕴岣咴O計的整體信號完整性。

電路板的電路現已分區，您可以開(kāi)始放置組件?；旌闲盘柌季峙c任何其他PCB設計一樣，需要根據行業(yè)標準規則和間隙放置部件。但是，在放置部件時(shí)需要注意一些獨特的混合信號注意事項：

保持分區：保持敏感的數字和模擬組件以及路由彼此分開(kāi)對于創(chuàng )建最佳信號完整性至關(guān)重要。更改平面圖可能非常誘人，在大多數情況下，您將不得不進(jìn)行一些更改，但您必須使不同的電路彼此隔離。

更大的處理器和內存組件：這些部件占用大量空間，需要大量布線(xiàn)，并產(chǎn)生大量熱量。它們需要更多地位于電路板的中心以進(jìn)行散熱并靠近其相關(guān)電路以獲得最佳信號完整性性能。

旁路電容器：電源完整性的需求在混合信號設計中尤為重要，它可能會(huì )受到接地反彈和電源尖峰的影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個(gè)電源引腳通常都有自己的旁路電容器分配給它。這些電容必須盡可能靠近其分配的引腳放置，以便進(jìn)行短而直接的布線(xiàn)。

相關(guān)部件和布線(xiàn)：通常，原理圖中為處理器和存儲設備的敏感電路設置了一條信號路徑。從連接器開(kāi)始，每個(gè)部件都需要放置在處理器和內存芯片周?chē)?，以保留原理圖的信號路徑。

電源：每個(gè)電源的電路需要與敏感的數字和模擬電路隔離，同時(shí)靠近它們供電的設備。這些電源之間也應該分開(kāi)，以幫助平衡電路板的熱量。電源部件需要在每個(gè)單獨的電源中盡可能靠近放置，以在設計中創(chuàng )造最佳的電源完整性。

雖然我們一直在討論混合信號設計的電氣需求，但仍需要高效地制造電路板以獲得最高良率。因此，在放置部件以實(shí)現最佳信號和電源完整性時(shí)，還必須遵循所有可制造性設計 (DFM) 規則。布局的另一個(gè)關(guān)鍵方面是供電網(wǎng)絡(luò )的設計，我們將在接下來(lái)的這些混合信號PCB設計指南中探討這一點(diǎn)。

不同類(lèi)型的電路現在通常組合在一塊電路板上

電力輸送網(wǎng)絡(luò )的混合信號PCB設計指南

專(zhuān)注于對設計進(jìn)行分區的原因之一是為電路板創(chuàng )建一個(gè)非常穩健的接地系統。由于電路板中有不同類(lèi)型的電路，一個(gè)問(wèn)題是設計人員是否應該為電路的數字和模擬區域使用單獨的或分離的接地層。如果模擬和數字電路彼此完全隔離，或者如果電路板產(chǎn)生高壓電流，則創(chuàng )建單獨的接地可能會(huì )有所幫助。然而，將標準混合信號電路板的模擬地和數字地分開(kāi)比將地保持在一個(gè)平面上更有可能引入新的EMI問(wèn)題。

接地層對于為設計提供清晰的信號返回路徑是必要的。在標準混合信號設計中，有信號在兩個(gè)電路區域之間交叉，這些交叉信號的返回路徑將被分開(kāi)的接地層中斷。單獨的接地層很可能會(huì )迫使信號通過(guò)電纜、屏蔽層或系統框架找到新的路徑，從而在此過(guò)程中產(chǎn)生大量額外的噪聲。為避免此類(lèi)信號和電源完整性問(wèn)題，標準混合信號設計的最佳接地配置是使用一個(gè)完整的接地參考平面那不是分裂。借助當今精心劃分的組件布局和數字電路的速度，只要返回路徑不被阻塞或損壞，返回路徑自然會(huì )靠近其出站信號路由。除了作為信號返回路徑的最佳配置之外，單個(gè)接地層還有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

它們保護設計的敏感電路免受傳入 EMI 的影響。

它們的屏蔽還可以防止電路板產(chǎn)生的任何內部干擾逃逸。

與較小的平面或走線(xiàn)相比，大平面會(huì )產(chǎn)生較低阻抗的接地系統。

大型飛機還有助于散發(fā)大型處理器芯片或電源組件的熱量。

只要您提供與所有電源引腳的可靠連接，您就可以在使用電源網(wǎng)絡(luò )時(shí)拆分平面。不要切斷引腳的電源，否則您可能會(huì )遇到電源完整性問(wèn)題和熱連接。確保使用短而寬的走線(xiàn)將電源組件連接在一起，并將這些電源組件和連接保持在電路板的一側，以最大限度地減少電感。說(shuō)到走線(xiàn)布線(xiàn)，接下來(lái)讓我們看看其他一些用于布線(xiàn)混合信號設計的指南。

管理設計規則和約束是混合信號PCB設計的重要組成部分

混合信號設計中的走線(xiàn)

仔細劃分電路板，將組件放置在最佳位置，并安裝可靠的接地系統，大多數走線(xiàn)自然會(huì )遵循正確的路徑。但是，對于混合信號PCB設計指南，有一些走線(xiàn)布線(xiàn)指南需要注意：

保持信號路徑短而直接。

遵循原理圖的信號路徑，尤其是在高速電路中。

小心創(chuàng )建帶有走線(xiàn)和過(guò)孔布線(xiàn)的天線(xiàn)。

電源布線(xiàn)應使用短、直且寬的走線(xiàn)來(lái)降低電感。

確保將數字電路的布線(xiàn)與模擬電路隔離，反之亦然。

確保參考平面上有清晰的信號返回路徑可用于布線(xiàn)，尤其是那些在數字和模擬電路區域之間的走線(xiàn)。

混合信號設計上的走線(xiàn)是設置和使用設計規則和約束必不可少的一個(gè)領(lǐng)域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具為其用戶(hù)提供了完整的約束管理系統（如上圖所示），以設置走線(xiàn)布線(xiàn)寬度和其他關(guān)鍵設計規則。接下來(lái)，我們將了解PCB設計工具中有助于混合信號PCB布局的其他一些功能。

Cadence 的 Allegro PCB編輯器中的IR Drop 功能可以幫助您進(jìn)行PDN設計

混合信號PCB設計必不可少的CAD工具功能

我們已經(jīng)看到了使用約束管理器為跟蹤路由設置設計規則的重要性。在對混合信號設計進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，這對于標準布線(xiàn)、差分對、阻抗控制走線(xiàn)、不同模擬信號以及電源和接地走線(xiàn)所需的所有不同走線(xiàn)寬度都有很大幫助。但是跟蹤路由規則并不是 Cadence 的約束管理器控制的唯一規則。它還將控制組件間隙、通孔類(lèi)型、測試約束，甚至是信號完整性和時(shí)序等電氣屬性。

PCB布局工具中的其他功能也可以幫助您完成工作。其中包括3D查看和檢查功能以及可在設計仍在布局時(shí)使用的大量仿真工具。在上圖中，您可以看到 IR Drop Vision 查看器，這將幫助您確保所有連接都接收到其功能所需的適當電量。IR Drop Vision 是對混合信號 PCB設計進(jìn)行完整 PDN 分析的第一步，可以幫助您避免使用多個(gè)原型構建進(jìn)行昂貴的調試和測試。