下一代设备的混合信号设计

2022年9月20日

节奏PCB解决方案

关键的外卖

如何为混合信号设计布局电路板。
限制电磁干扰(EMI)的探讨。
了解可靠信号的地面和参考平面设置。

带有通孔和多个分割参考平面的印刷电路板

现在几乎每一种新的电子设备上都有混合信号。拥有坚实的基础对下一代设备的开发至关重要。

在过去，电子产品通常由不同的独立电路板组成，每个电路板都有自己的特定功能。然而，随着设备的进一步最小化和功能的增加，这些过去的多板设计正在被包含模拟和数字信息的单板淘汰——也被称为混合信号板。

现代电子技术比以往任何时候都更多地记录和数字化了现实世界的不同元素;从温度到运动等等。这些不同的元素被捕获为模拟信号，必须经过处理和转换模拟-数字转换器对数字信号进行处理，以便与计算机和服务器连接。

混合信号板提出了自己独特的挑战，即确保这些模拟信号的完整性，而不在包含数字信号的板上引入显著的噪声——这是混合信号设计的关键。让我们深入研究这种类型的设计，并看看如何处理敏感的模拟电路、路由、电源交付和EMI屏蔽。

混合信号设计:基础

Cadence Allegro应用程序窗口与电路板布局

在混合信号的电路板上有很多东西。使用先进的CAD程序将帮助你在布局时保持条理。

我们将讨论的许多混合信号设计技巧可归为两类:第一类是减少噪声，如电磁干扰第二是使设计尽可能不受现有噪音的影响。

在布线你的铜，重要的是为你的混合信号设计开发一个强大的平面图。一个好的平面布局将有助于组件的放置和线路的路由。这样做可以确保提供不同功能的每个电路块在电路板上都有自己的包含区域。要做到这一点，将相似用途的模拟组件分组在一起，并对数字组件做同样的工作。

最重要的是，将模拟部分和数字部分分开。数字部分离模拟部分越远越好。分离可以包括使用双面板的顶部和底部，或使用单面板的左侧和右侧，只要它们之间有明显的空间。

一般来说，模拟信号是需要采取这些预防措施的地方。这些信号存在于连续的范围内，而数字信号是二进制的——这在理论上允许比模拟信号有更大的误差范围。后可制造性设计(DFM)规则要求放置零件的最佳信号和电源完整性。这将有助于确保您的电路板的生产效率和最高的产量。

混合信号组件的放置和布局

Cadence层堆叠管理器

建立一个良好的层堆叠可以帮助消除EMI从您的电路板。

一旦你的平面图布置好了，组件的位置是好的混合信号设计的下一步。如前所述，保持模拟电路和数字电路之间的分割将有助于减少串扰和EMI，同时增加模拟信号的完整性。

保持重型电路居中

对于产生大量热量的重型数字电路，如大型处理器和内存部件，请将它们集中在电路板上，以便更好地散热。因为它们有很多路由连接它们，居中组件将使它们更容易访问。其他的数字组件，如adc，应该放在靠近的位置，并保持相同的中心位置。

设置旁路电容

一旦你已经放置了所有的主要和大型组件，设置你的旁路电容。把这些电容器尽可能靠近你的数字电路。在地面反弹或电力峰值的情况下，它们可以帮助您的设备保持可靠的电力。

允许直接路由

最后，作为经验法则，放置部件时要允许它们之间最直接的路由。避免造成需要在数字电路和模拟电路之间布线的情况。这将进一步帮助减少噪音，并允许更短的轨迹，这将在后面的部分中深入讨论。

层分层盘旋飞行

你的板的成功取决于你的层堆叠是如何配置的，特别是你的电源和地面平面。在你的路线，设置你的层容易访问。具体来说，在组件的相邻层上设置一个参考平面，以便获得更短的信号返回路径。这将有助于最小化噪声和提高信号完整性。当配置你的层堆叠时，记住你的平面图，以确保你有适当的空间向下布线。

堆叠层配置在限制电磁干扰方面也是必不可少的。虽然减少层数可以节省制造，但它可能会导致整体信号完整性被破坏的最终结果。高速信号、敏感信号和噪声电源电路应相互隔离。一个好的解决方案是为堆叠和为地面提供足够的层数保护这些信号不受电磁干扰的影响。

路由指南

电路板上的布线和通孔

保持跟踪的宽度和长度是混合信号设计的主要关键。

一旦您在板上布置好了组件并准备好了良好的地面系统，大多数跟踪路由就会自然就位。一般来说，路由的两个基本规则是:

保持信号路径短而直接。
使数字电路的痕迹远离模拟电路。

关于信号路径长度，这应该适用于所有的电路块。从你的电源的痕迹应该保持特别短和尽可能宽，以减少电感。确保参考平面有较短的信号返回路径，以减少漫游。保持您的路由使用最小的过渡层，因为这也增加了长度。

对于高速电路，应尽可能接近原理图中的信号路径。在路由跟踪和通道时，还有一个制造天线的可能性所以要注意减少你的环的尺寸。通过显着通孔路由模拟轨迹也会产生电感，因此也要最小化你的层过渡。

保护模拟信号对设备的可靠性至关重要。堆叠中的金属平面可以提供很好的屏蔽效果。因此，在带线结构的两个平面层之间路由敏感信号是一种很好的做法。如果没有足够的空间来扩大间距，可以使用保护迹线来防止两个并行模拟迹线之间的串扰。这也可以充当模拟和数字痕迹之间的屏蔽。最后，可以用通孔在电路的功能分区之间形成屏蔽边界或栅栏。通过围栏有效且易于放置，但注意它们会占用大量的板空间。

使用先进的PCB软件对这样的设计确实有帮助。将组件紧密地放置到具有各种跟踪宽度的特定间距宽度，需要详细的数据库管理。使用您的计算机辅助设计系统的设计规则管理这些约束将帮助你保持条理。

混合信号板的功率传输

拥有可靠的电源对于强大的电路性能是不可或缺的，特别是对于混合信号设计。放置每个电源的电路，使其与敏感的模拟和数字电路隔离，同时也接近组件本身。

由于其功率传输网络(pdn)，高速pcb经常遭受各种问题，如瞬态振铃。为了解决这个问题，在电源附近的设计中加入去耦电容，并将接地层和电压层在堆叠中相邻放置，以提供高的平面间电容。

有接地面和通孔线的电路板，把它分成两半

这张照片显示了一个地平面，在中心有一个大的空隙供通孔使用。地平面上的这个大间隙大大扩展了返回信号的路径，在电路中产生了各种各样的不稳定。

飞机本身的布局对你的董事会的运作也是至关重要的。信号不应该穿越地平面被破坏的区域(见上图)。有许多通孔的平面或截面上的间隙会阻塞信号的返回路径。这可能会导致返回信号在返回信号源之前徘徊，这是电磁干扰和降低信号完整性的主要原因。确保信号返回路径尽可能短，以获得最佳的单板性能。

保护您的电路板免受电磁干扰

电磁干扰屏蔽用金属板

一些大型电磁干扰屏蔽的例子你可能想安装在你的电路板上。

信号可能会受到各种各样的问题的影响，包括地面反弹、串扰、电源噪声，以及最显著的电磁干扰(EMI)。电磁干扰可以完全改变正常工作电路板的功能。如果EMI没有得到妥善处理，可能会出现以下任何一个问题:

通信中断
无线设备干扰
传感器数据损坏
组件故障
软件错误或失败

处理已经存在的电磁干扰的最好方法是使用金属屏蔽。使板的关键区域不容易受影响，从上面和所有的四个方面覆盖金属，与接地平面一层下面创造法拉第笼。这有屏蔽大量不必要的电磁干扰的能力。

然而，屏蔽是有代价的:请注意，EMI屏蔽不是平的，需要允许访问下面的组件。此外，热量会被困在这些防护罩下，除非它们被穿孔。它们还会导致整体上更复杂的电路板，使调试和测试更加困难。

理想情况下，使用这些屏蔽可以屏蔽所有传入的电磁干扰。在现实中，虽然需要有开口热冷却，焊点到板，和足够的空间，潜在的小调整。常见的材料PCB盾牌包括镀锡轧钢，时间镀铜，不锈钢，和更多。

另一种进一步屏蔽的最终方法是使用差分对，它的作用就像电话电缆中的双绞线。这样，它们可以比单端传输线更好地抑制共模噪声。

减少噪音的来源

噪音的来源多种多样。最明显的是，来自振荡器(晶体)或时钟线，以及大型电感器和电源周围产生的电磁场。

任何类型的大电压波动都可能产生问题，除非拉动电流的设备包含必要的电容、铁氧体珠、二极管和端电阻，并保持最小长度的布线。这个长度是从电源经过负载然后回到地平面的路径。一般来说，更小的环路长度将产生更少的噪声，产生更少的电磁干扰。

射频能量可以被附近的金属物体吸收，如印刷天线。因此，在天线周围放置地通孔可能有助于减少不必要的干扰。为了进一步减少电磁干扰，将天线打印在外层，直接在其下面的底层是没有铜的。

最后注意:来自电路某一部分或另一个设备的干扰可能以不可预测的方式与现有的铜回路耦合。换句话说，任何传导环都可能成为无用的天线。为了确保这种情况不会发生，可以使用模拟工具来帮助您描述您的电路板，并了解发生了什么。

地面和参考平面提示

印刷电路板上分割平面的一个例子。

由于电路板上的所有敏感电子设备，有一个设计良好的接地平面是必不可少的。为了使它们尽可能的可靠，不要穿过带有轨迹的平面阻塞区域，因为通过这些区域会降低返回路径，从而产生噪音。

理论上，分割平面可以在电路的模拟和数字区域之间创造更好的隔离。然而，在实际操作中，在参考平面上使用分割平面、切割或孔会导致电磁干扰，并为信号返回路径造成进一步的障碍。如果可能，避免使用分割平面。在非情况下，分裂平面对混合信号设计是必不可少的，确保两个平面在一个点上相互连接，因为多个连接点可以创建天线环，主要用于辐射EMI。当使用一个完整的接地面，并且模拟和数字部分分别布线时，可以产生一个清晰的返回路径，从而减少整体的电磁干扰。