混合信号PCB设计技术

我们所生活的模拟世界正不断以这样或那样的方式被捕获，而媒体正在被全球共享。在所有这些数据的创建和消费之间，信息被转换为自身的数字表示形式进行存储和传输。标准的现场广播和电视广播是通过端到端模拟链完成的。随着数字协议将流量提高到模拟设备无法达到的水平，该技术已成为一个进化的死胡同。

我第一次意识到这种趋势是在美国政府将美国电话电报公司(AT&T)拆分为一个“婴儿铃铛”的集合时。突然间，MaBell、PacBell和所有其他公司都需要新的办公设备。我们说的不是打印机和传真机。我们谈论的是电信史上最重要的转折点之一。在贝尔先生发明后的大约一个世纪里，一个由交换机和电线组成的网络在全国各地建立起来。

图片来源:Vanalog文件——天空被电线弄黑了。

所谓的T1或普通老式电话系统(POTS)已经足够好了。一对扭曲的电线可以容纳24个单独的电话。建立一个分部，埋下一捆双绞线。建个大都市，电线就到处通了。城市几何级数的增长，终于超过了锅的承受能力。当革命开始时，旧金山湾区已经从农业向科技倾斜。虽然AT&T正在进行有史以来最大的一次减记，但整个模拟电话系统实际上并没有被废弃。

当地一家初创企业加入了这个游戏，货架上塞满了多氯联苯。这些机架被称为Trans-MUX，具有一些重型数字到模拟和模拟到数字转换器;在组成一个组的8张卡中，在电话线上进行多路复用。市场上的新设备允许384个电话(型号3)和576个电话(型号4)通过双绞线进行通话，而不是旧的24个同时通话的限制。由于旧的管道现在沿着城市到城市的干线进行了数字化，移动数据是自然的后续应用。真是个怪物级的应用。修复电话系统催生了互联网。就是这么简单，这么深刻。

图片来源:富士通一种同时代的多路复用器。

你不必彻底改造电信技术，就能体会到将正弦波转换为微流的价值。我们又用手机革命。那时，我正在为射频放大器设计校正板。。那些单载波和多载波放大器存在于使无线电话工作的基站中。校正板用各种各样的技术使射频设备忠实于它们的使命。校正板之间的共同主线是对数据流进行采样，然后以某种方式调整放大器的输入参数，以防止神奇的烟雾从设备中冒出来。

为什么不呢?

另一家公司通过添加WIFI路由器芯片组，帮助世界从手机转向智能手机。这是在高通CDMA技术的基础上实现的。他们最终收购了这家初创公司，并将IP纳入了他们的参考设计中。这也是我的工作。模拟运算放大器和比较器紧挨着数字信号处理器。我们越能从模拟信号中提取出数字信号，效果就越好。无论是使用双面板的顶部和底部，还是单面布局的左侧和右侧，空间是最重要的混合信号设计的最好的朋友。当被形式因素逼到一起时，我们会更愿意妥协传送链而不是接收链。这里的想法是，接收链是一个能量较低的传输线，因此，更容易受到错误噪声的影响。然后放大器接收到噪声，做放大器做的事情。

通常的嫌疑人

确切地说，噪音从何而来?主要来自振荡器(晶体)或时钟线，但大型电感器和开关模式电源周围的电磁场也是臭名昭著的干扰源。任何类型的电压大波动都将是一个问题，除非拉动电流的设备有所有必要的电容器、铁氧体珠、二极管，甚至终端电阻的放置和布线最小的环路长度。回路长度是从电源到负载，再通过接地面回到起始点的总路径。较小的回路在设备及其组成的无源部件周围循环。

所有的能量不会只是停留在那里。它会被附近的任何金属物体吸引，比如打印出来的天线。这就是为什么我们对天线周围的地面通孔如此着迷的原因。天线本身通常打印在外层，下面的所有其他层都是空的铜。这些空隙也消除了内层金属本来可以提供的很多刚度。由于缺少11层金属，一块12层的板失去了几乎一半的厚度。我们称之为偷铜的小斑点不利于天线发挥作用，所以我们只能生活在一个脆弱的角落里。

它不一定非要被称为天线才能像天线一样工作。一个设备的干扰会以我们无法预测的方式耦合到另一个设备上。而仿真工具做好传输线的特征刻画，每个设备都有小妖怪。我们的特性越多，出问题的地方就越多。就失败的不同方式而言，智能手机是我能想到的最糟糕的东西。每一代都增加一个新功能的小空间。人们从应用程序的角度来考虑这些事情，但很多功能都必须通过硬件来充实。

蓝牙、GPS、WIFI、NFC和这些类型的东西都有自己的设备或组合设备上的一点空间。无线电芯片不适合最新基带芯片的进程节点。用于模拟的微电路比用于数字电路的要大几个数量级。似乎我们总是会有各种设备在争夺空间、功率和呼吸空间。

给和平一个机会

共存的最佳答案是使用屏蔽来分离模拟块。有缺点。盾在三维空间占据空间。因为返工，它们必须被移除。除非顶部穿孔，否则它们会困住热量。矩形以外的任何形状都需要一些工程设计，而且在任何情况下都有很大的成本。增材制造，我们可以在塑料上打印金属和/或在产品外壳中加入EMI屏蔽，这可能是将受害者与攻击者隔离的下一个想法。

图片来源:微波和射频-过时但仍然有用的典型屏蔽视图

隔离要求可能令人生畏。高通最新骁龙芯片的应用说明在某些情况下指定为100 dB。如果这在人类听觉的频率范围内，那就像一架客机从你的屋顶上飞过，而没有人注意到。这将是一个非常坚固的屋顶，让人意识不到有飞机在头顶上起飞。一架更安静的喷气式飞机也可能是这个等式的一部分。许多新的电阻、电容和调节器添加到第二次修订的电路板上，是为了帮助不同的设备更好地在一起工作。

差分对的作用就像电话电缆中的双绞线。它们在抑制共模噪声方面比单端传输线好得多。用最少的层转换数、最短的长度和尽可能多的可用空间实现干净的路由，将大大有助于平息攻击者。正如你可能已经收集到的，一些相同的声音设计实践将为受害者痕迹提供更厚的皮肤，以抵御其附近的谐波干扰。

扎实的哲学

在不认识地平面的情况下，我们无法全面了解混合信号路由。有孤立的返回路径是很常见的。电话设备的机架上有粗粗的铜棒。它们用同样的尼龙支架固定在适当的位置，用以管理其余的线束。它在PCB上的规模较小。单个设备的所有部件将以一个形状接地在一起，该形状与机箱接地连接在一个位置。在整体接地平面内可能会有几个AGND口袋。我试图通过开槽地平面来在晶体周围创建护城河，将EMI阻挡回父器件。所有这些小事情加起来。

它归结为共存的两个租户。一是利用强大的设计基础，从一开始就减少电磁干扰。第二个是让设备更不受系统中残留的任何噪音的影响。FCC在符合标准的设备上的标签详细说明了这两个条件。就像一个好的工程师，一个好的产品既要镇定，又要安静。熟悉模拟电路和数字电路，将是在两个世界之间的空间工作的良好开端。