模拟電(diàn)路的 PCB设计规则

2021-08-24

模拟電(diàn)路的 PCB设计规则

尽管构建模拟系统看起来像是回到了真空管时代，但模拟组件和電(diàn)路不会很(hěn)快消失，支持它们的 PCB 也不会消失。纯模拟電(diàn)路板和混合信号 PCB 在许多(duō)产品中仍然很(hěn)重要，并将继续在一系列频率下运行。模拟 PCB设计入门在从哪里开始和考虑什么方面可(kě)能(néng)很(hěn)困难，但我们希望这些指南将帮助您了解可(kě)以采取哪些步骤来确保成功。

有(yǒu)时，最好根据共同的设计目标来考虑模拟PCB和混合信号 PCB。模拟電(diàn)路和PCB需要特别小(xiǎo)心，因為(wèi)目标通常是路由信号并将它们输入到组件/電(diàn)路中，同时确保低噪声操作。然后，電(diàn)路板运行的频率范围将决定需要采取的一些措施，以确保设计按预期运行。在本指南中，我们将概述您应该考虑的一些标准模拟 PCB设计和布局指南。我们将尝试覆盖从低 kHz 频率到高毫米波频率。

模拟 PCB 层堆叠

设计好電(diàn)路后，层堆栈就是设计的第一站。模拟层堆栈通常遵循用(yòng)于构建数字 PCB 堆栈的相同想法。注意以下几点：

電(diàn)源和接地：计划在 PCB布局中传输关键信号的走線(xiàn)周围使用(yòng)大量接地，并相应地规划電(diàn)源轨布線(xiàn)。较新(xīn)的设计人员可(kě)能(néng)习惯于考虑如何布線(xiàn)重要的模拟互连，但如果您尽早这样做，您可(kě)以相应地规划電(diàn)源和信号布線(xiàn)。

高频供電(diàn)：如果您的模拟板需要以高输出功率和高频进行传输，那么您需要提供非常稳定的電(diàn)源，可(kě)能(néng)是高電(diàn)流。计划在内部层上使用(yòng)電(diàn)源层而不是导轨，并在相邻层上放置接地层。

材料选择：我认為(wèi)每个设计师都希望模拟電(diàn)路板的每一层都使用(yòng)低损耗的基于 PTFE 的层压板，但这些昂贵的材料并不总是必要的。如果您的工作频率不是几十 GHz，并且您只使用(yòng)较短的布線(xiàn)，那么只要您不布線(xiàn)很(hěn)長(cháng)的互连，您就可(kě)以使用(yòng)标准的 FR4 层压板。如果您确实需要低损耗层压板，请联系您的制造商(shāng)，了解如何使用(yòng)混合PCB叠层。

今天的模拟板通常在与模拟部分(fēn)相同的板上包含一个数字部分(fēn)。你应该如何在你的堆叠中处理(lǐ)这些？在混合信号PCB中，電(diàn)源和接地的建议通常不同，这取决于您的模拟和数字部分(fēn)是否需要在它们之间进行任何直接布線(xiàn)。

混合信号接地

如果您的電(diàn)路板也有(yǒu)一个数字部分(fēn)，那么在您的组件放置方面，事情会变得更加复杂。通常，由于数字電(diàn)路的速度，您不应使用(yòng)物(wù)理(lǐ)上分(fēn)离的地平面，而应使用(yòng)单个地平面。尝试规划您的布局，以便数字和模拟块的返回路径自然分(fēn)离。这在低频下很(hěn)困难，这就是為(wèi)什么如此多(duō)的设计指南继续提倡使用(yòng)单独的模拟和数字接地层的原因。

混合信号電(diàn)源

对于混合信号電(diàn)源，電(diàn)源平面通常分(fēn)為(wèi)数字和模拟部分(fēn)，类似于在不同電(diàn)源電(diàn)压下工作的数字電(diàn)源平面所做的工作。这些部分(fēn)应位于同一层中，并参考相邻层上的同一接地平面。另外，最好将数字電(diàn)源轨只放在電(diàn)路板的数字部分(fēn)，模拟電(diàn)源轨也是如此。

模拟和数字 PWR/GND 部分(fēn)的布置示意图。

如果必须使用(yòng)上图左侧的排列，则不应将分(fēn)开的数字和模拟電(diàn)源平面放在两个相邻的层中，使平面重叠。如果这两个平面在相邻层中确实重叠，则这两个平面将在重叠區(qū)域之间具有(yǒu)高電(diàn)容，从而产生强位移電(diàn)流。由于这两个平面之间的電(diàn)位在切换过程中波动，因此这会导致射频频率的腔发射。

此外，您不应通过在模拟和数字部分(fēn)之间的间隙上布線(xiàn)来创建数字和模拟部分(fēn)之间的接口。要了解原因，请查看这篇文(wén)章。您需要的接口可(kě)以由 ADC 提供，该 ADC 可(kě)能(néng)内置在您的主机控制器中，也可(kě)以是专用(yòng) IC。

模拟PCB布局中的元件放置

就像上面的 PWR/GND 平面图暗示的那样，只在模拟部分(fēn)放置模拟组件，在数字部分(fēn)只放置数字组件。不幸的是，我们无法涵盖所有(yǒu)可(kě)能(néng)的组件的放置，但我们可(kě)以简要讨论一些重要的组件。带有(yǒu)一些重要布局指南的两个最有(yǒu)趣的组件是 ADC 和放大器（包括运算放大器）。虽然我很(hěn)想在这里提及 PLL，但这些電(diàn)路依赖于大量时钟路由和精确时序，最好单独写一篇文(wén)章。

处理(lǐ)未使用(yòng)的运算放大器

一个必然出现在模拟板上的组件是运算放大器。在许多(duō)运算放大器 IC 中，一些运算放大器将被闲置。IC 上任何未使用(yòng)的引線(xiàn)都应正确端接。IC 中运算放大器上的未端接（即浮动）引線(xiàn)会产生噪声并传播到工作 IC 中，从而降低信号完整性。

如果您使用(yòng)的是单電(diàn)源轨，您应该首先将输出短接到反相输入。这会产生负反馈并确保输出正确跟随输入。接下来，将具有(yǒu)相等電(diàn)阻的分(fēn)压器连接到同相输入和接地引脚。这会将输入電(diàn)位设置為(wèi)線(xiàn)性范围的中点。如果您使用(yòng)的是分(fēn)离轨，您可(kě)以简单地将输出短接到反相输入并将同相输入接地。

功率放大器的问题

在低频时，放大器不会受到任何其他(tā)PCB不适用(yòng)的特殊限制。对于以高频运行的功率放大器，情况有(yǒu)所不同，因為(wèi)放大器输出可(kě)能(néng)会不稳定，这表现為(wèi)意外的正反馈。您可(kě)以使用(yòng)一些模拟来跟踪耦合回放大器输入，尽管这些需要一个可(kě)以直接与您的PCB布局接口的场解算器。要详细了解这个涉及 RF 功率放大器的有(yǒu)趣信号完整性问题。

放置 ADC 的位置

ADC 是您的模拟信号与数字世界连接的地方，因此该部分(fēn)需要小(xiǎo)心放置，因為(wèi)它将包含数字部分(fēn)。分(fēn)立式 ADC 最好大致沿着数字和模拟部分(fēn)之间的边界放置。事实上，这可(kě)能(néng)是在具有(yǒu)分(fēn)离地平面的混合信号系统中创建接口的唯一可(kě)接受的方式，因為(wèi)硅芯片上的地平面可(kě)以為(wèi)输入/输出信号提供参考平面。但是，如果您使用(yòng)统一的接地平面，则放置 ADC 以及接地平面提供的屏蔽将具有(yǒu)更大的灵活性。

模拟PCB布線(xiàn)指南

模拟PCB中的布線(xiàn)就是确保沿互连发送的模拟信号在互连的接收器侧不会显着失真。在使用(yòng)模拟 PCB 时，您的净计数通常比在数字PCB中少得多(duō)，因此您可(kě)以尽早尝试一些可(kě)能(néng)的布局，直到找出可(kě)解决的平面图。以下是一些路線(xiàn)指南，可(kě)帮助您：

走線(xiàn)長(cháng)度：一般来说，尽量保持模拟PCB中的走線(xiàn)短而直，随着信号频率的提高，这一点非常重要。除了损耗之外，还要注意信号的临界長(cháng)度。

强制阻抗匹配： 即使您的走線(xiàn)長(cháng)度很(hěn)短，无论如何强制阻抗匹配仍然是一个好主意。这可(kě)能(néng)意味着您需要在重要的電(diàn)路或组件上设计一些阻抗匹配网络，以确保電(diàn)路之间的无反射功率传输。

考虑共面布線(xiàn)：您可(kě)以利用(yòng)共面PCB布線(xiàn)来确保高隔离度而不牺牲阻抗。您仍然可(kě)以在违反关于浇铜的“3W”间隙规则的同时强制进行阻抗控制。

最小(xiǎo)化过孔的使用(yòng)： 每个过孔都会增加互连 S 参数的损耗，因此最好将这些损耗最小(xiǎo)化，并在可(kě)能(néng)的情况下仅进行必要的层转换。对于那些仍然存在的通孔，它们可(kě)能(néng)会像天線(xiàn)一样产生强烈的辐射

根据您将在電(diàn)路板中使用(yòng)的主频率，您可(kě)能(néng)会考虑通过平面层之间的内部层进行布線(xiàn)。当需要隔离时，内部层上的更高频率带状線(xiàn)或共面布線(xiàn)是首选，只要最小(xiǎo)化过孔转换即可(kě)。还要确保您的过孔尺寸合适，并与带有(yǒu)反焊盘的平面间隔适合您的工作频率，尽管这说起来容易做起来难，也不容易计算。这个特定点应该通过测量（S 参数）进行检查，因為(wèi)附近的平面和其他(tā)导體(tǐ)将在信号转换到内层期间修改过孔阻抗。

在模拟PCB布局中有(yǒu)很(hěn)多(duō)需要考虑的问题，但正确的设计工具和规则驱动的设计软件将帮助您实施所需的指导方针，以保持模拟系统无噪声并确保信号/電(diàn)源完整性。 Altium Designer的® 包含任何模拟，数字或混合信PCB在单一设计环境，包括强大的路由工具，以帮助您保持高效的最佳PCB布局特点。