混合信号PCB电路板布局设计指南

2022年3月24日

关键的外卖

在混合信号设计中放置组件。
电力输送网络混合信号PCB设计要求。
混合信号PCB布局上的路由跟踪。

一些路由可能是混合信号PCB设计的一部分

电子产品过去是由多个电路板组成的，每一个电路板都处理一种设计的不同功能。挖掘这些老系统中的一个，可能会发现一个处理器板，一个电源板，音频和视频卡，甚至一个风扇控制PCB。随着人们对更小的电子设备、更大的功能和降低制造费用的需求，许多这种多板系统已经被一种混合信号设计所取代。

乍一看，混合信号PCB布局本质上与任何其他布局相同。零件必须被放置好，网必须被路由电源和地面必须连接。然而，一旦你仔细观察，你会发现如果你没有做好准备，有些独特的需求会给你带来设计上的挑战。我们将在这些混合信号PCB设计指南中列出这些要求，以帮助您进行下一个设计。

混合信号PCB布局中的组件放置

当准备布局混合信号PCB设计时，在开始放置组件之前必须开发设计的平面图。制作平面图的方法有很多，从在餐巾背面画画到使用先进的CAD软件。无论你选择哪种方式，首先制定平面图都会对你有帮助分区不同的电路区域，这样当你布置PCB时，它们的信号就不会混合。这一步对于最小化噪声问题很重要，比如板的数字和模拟部分之间的串扰和EMI，一般来说，提高设计的整体信号完整性。

随着电路板的电路现在划分，你可以开始放置组件。混合信号布局就像任何其他PCB设计，零件将需要根据工业标准规则和间隙放置。然而，有一些独特的混合信号注意事项，当你放置的部分:

保持分区:保持敏感的数字和模拟组件和路由彼此分离是创建最佳信号完整性的必要条件。改变平面图可能是非常诱人的，在大多数情况下，你将不得不做一些改变，但你必须保持不同的电路彼此隔离。
更大的处理器和内存组件:这些部件占据了大量的空间，需要大量的布线，并产生大量的热量。它们需要更多地位于板的中心散热和接近其相关的电路，以获得最佳的信号完整性性能。
旁路电容:在混合信号设计中，电源完整性的需求尤其重要，因为混合信号可能会受到地弹和功率尖峰的攻击。为了对抗这些影响，处理器上的每个电源引脚通常都有自己的旁路电容。这些帽必须放置尽可能接近其分配的引脚，以进行短和直接路由。
关联部件及路由:通常，在处理器和存储设备的敏感电路的原理图中有一个信号路径。从连接器开始，每个部分都需要放置在处理器和存储芯片周围，以保存原理图的信号路径。
电力供应:每个电源的电路需要与敏感的数字和模拟电路隔离，同时位于靠近它们供电的设备。也应该在这些供应之间有一个分离，以帮助平衡板热。电源部件需要放在尽可能接近彼此在每个单独的电源，以创造最佳的电源完整性在设计中。

虽然我们一直在讨论混合信号设计的电气需求，但为了获得最高的产量，电路板仍然需要高效地制造。因此，在放置部件以获得最佳信号和电源完整性时，遵循所有的可制造性设计(DFM)规则也是必要的。布局的另一个关键方面是电力输送网络的设计，我们将在这些混合信号PCB设计指南中看下一步。

不同类型的电路现在通常组合在一块电路板上

电力输送网络混合信号PCB设计指南

专注于划分设计的原因之一是为电路板创建一个非常健壮的接地系统。由于电路板中有不同类型的电路，一个问题是设计师应该为电路的数字和模拟区域使用单独的或分割的地平面。如果模拟电路和数字电路彼此完全隔离，或者如果电路板产生高压电流，创建单独的接地可能会有帮助。然而，将标准混合信号电路板的模拟和数字接地分离，比将接地保持在一个平面上更有可能引入新的电磁干扰问题。

地面需要为设计提供清晰的信号返回路径。在标准的混合信号设计中，当电路的两个区域之间有信号交叉时，这些交叉信号的返回路径将被分离的地平面破坏。分开的地面极有可能迫使信号通过电缆、屏蔽或系统框架找到新的路径，在这个过程中产生大量额外的噪声。为了避免这样的信号和电源完整性问题，标准混合信号设计的最佳地面配置是使用一个完整的地面参考面这不是分裂。通过仔细划分组件的位置和当今数字电路的速度，只要返回路径不被阻塞或破坏，返回路径将自然地接近其输出信号路由。除了作为信号返回路径的最佳配置外，单一地平面还有其他几个优点:

它们保护设计中的敏感电路不受外来电磁干扰的影响。
他们的屏蔽也防止任何内部干扰产生的板子逃跑。
大平面比小平面或轨迹产生更低的阻抗接地系统。
大型飞机还将有助于散热的大型处理器芯片或电源组件。

当你使用电源网络时，只要你提供一个坚固的连接到所有电源引脚，你就可以分割平面。不要切断引脚的电源供应，否则可能会导致电源完整性问题和热连接。确保使用短宽迹线将电源组件连接在一起，并将这些电源组件和连接全部放在板的一侧，以减少电感。说到跟踪路由，接下来让我们看看为混合信号设计路由的其他一些指导方针。

管理设计规则和约束是混合信号PCB设计的重要组成部分

混合信号设计中的跟踪路由

由于板被仔细划分，组件位于它们的最佳位置，并且有一个健壮的地面系统，大多数跟踪路由将自然地遵循正确的路径。然而，对于混合信号PCB设计的路由指南，有一些需要注意的跟踪路由指南:

保持信号路径短而直接。
遵循原理图中的信号路径，特别是在高速电路中。
在创建带有迹线和通孔路由的天线时要小心。
电源的路由应采用短、直、宽的迹线以减少电感。
确保数字电路的布线与模拟电路隔离，反之亦然。
确保在参考平面上有一个清晰的信号返回路径可供路由，特别是那些在数字和模拟电路区域之间的轨迹。

在混合信号设计中，跟踪路由是建立和使用设计规则和约束至关重要的一个领域。PCB布局工具，如Cadence的Allegro PCB Editor，为用户提供了完整的约束管理系统(如上图所示)，以设置跟踪路由宽度和其他关键设计规则。接下来，我们将看看PCB设计工具中的一些其他功能，它们将有助于混合信号PCB布局。

Cadence的Allegro PCB编辑器中的IR Drop功能可以帮助您进行PDN设计

混合信号PCB设计中必不可少的CAD工具特性

我们已经看到了使用约束管理器为跟踪路由设置设计规则的重要性。当路由混合信号设计时，对于标准路由、差分对、阻抗控制迹线、不同模拟信号以及电源和地面迹线所需的所有不同迹线宽度，这可以提供很大的帮助。但是跟踪路由规则并不是Cadence的Constraint Manager控制的唯一规则。它还将通过类型、测试约束、甚至诸如信号完整性和时序等电气属性来控制组件间隙。

PCB布局工具中的其他功能也可以帮助您工作。其中包括3D查看和检查功能以及大量的仿真工具在设计还在排版的时候就可以使用。在上面的图片中，你可以看到IR Drop Vision查看器，它将帮助你确保所有的连接都能接收到适当数量的功率，以满足其功能需要。IR Drop Vision是对混合信号PCB设计进行完整PDN分析的第一步，可以帮助您避免使用多个原型构建进行昂贵的调试和测试。

有关PCB设计和如何与您的板的PDN工作的更多信息，请查看这个电子书从节奏。

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