電(diàn)路板布局的混合信号 PCB设计指南

2022-03-28

電(diàn)路板布局的混合信号 PCB设计指南

一些可(kě)能(néng)是混合信号 PCB设计一部分(fēn)的布線(xiàn)

電(diàn)子产品过去由多(duō)个電(diàn)路板组成，每个電(diàn)路板处理(lǐ)不同的设计功能(néng)。深入其中一个旧系统可(kě)能(néng)会发现处理(lǐ)器板、電(diàn)源板、音频和视频卡，甚至是风扇控制 PCB。随着对更小(xiǎo)電(diàn)子产品、更强大功能(néng)的需求以及降低制造成本的需求，这些多(duō)板系统中的许多(duō)已被一种混合信号设计所取代。

乍一看，混合信号 PCB布局与任何其他(tā)布局基本相同。必须放置零件，必须布線(xiàn)网络，并且必须连接電(diàn)源和接地层。然而，一旦你仔细观察，你会发现如果你没有(yǒu)准备好，有(yǒu)一些独特的要求可(kě)能(néng)会给设计带来挑战。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布局中的元件布局

在准备布局混合信号 PCB设计时，必须在开始放置元件之前制定设计的平面图。有(yǒu)许多(duō)创建平面图的方法，从在餐巾纸背面绘图到使用(yòng)高级CAD软件。无论您选择哪种方式，首先制定平面图将帮助您划分(fēn)不同的電(diàn)路區(qū)域，以便在您布置PCB时它们的信号不会混合。此步骤对于最大限度地减少電(diàn)路板数字和模拟部分(fēn)之间的串扰和 EMI 等噪声问题非常重要，并且通常可(kě)以提高设计的整體(tǐ)信号完整性。

電(diàn)路板的電(diàn)路现已分(fēn)區(qū)，您可(kě)以开始放置组件。混合信号布局与任何其他(tā)PCB设计一样，需要根据行业标准规则和间隙放置部件。但是，在放置部件时需要注意一些独特的混合信号注意事项：

保持分(fēn)區(qū)：保持敏感的数字和模拟组件以及路由彼此分(fēn)开对于创建最佳信号完整性至关重要。更改平面图可(kě)能(néng)非常诱人，在大多(duō)数情况下，您将不得不进行一些更改，但您必须使不同的電(diàn)路彼此隔离。

更大的处理(lǐ)器和内存组件：这些部件占用(yòng)大量空间，需要大量布線(xiàn)，并产生大量热量。它们需要更多(duō)地位于電(diàn)路板的中心以进行散热并靠近其相关電(diàn)路以获得最佳信号完整性性能(néng)。

旁路電(diàn)容器：電(diàn)源完整性的需求在混合信号设计中尤為(wèi)重要，它可(kě)能(néng)会受到接地反弹和電(diàn)源尖峰的影响。為(wèi)了抵消这些影响，处理(lǐ)器上的每个電(diàn)源引脚通常都有(yǒu)自己的旁路電(diàn)容器分(fēn)配给它。这些電(diàn)容必须尽可(kě)能(néng)靠近其分(fēn)配的引脚放置，以便进行短而直接的布線(xiàn)。

相关部件和布線(xiàn)：通常，原理(lǐ)图中為(wèi)处理(lǐ)器和存储设备的敏感電(diàn)路设置了一条信号路径。从连接器开始，每个部件都需要放置在处理(lǐ)器和内存芯片周围，以保留原理(lǐ)图的信号路径。

電(diàn)源：每个電(diàn)源的電(diàn)路需要与敏感的数字和模拟電(diàn)路隔离，同时靠近它们供電(diàn)的设备。这些電(diàn)源之间也应该分(fēn)开，以帮助平衡電(diàn)路板的热量。電(diàn)源部件需要在每个单独的電(diàn)源中尽可(kě)能(néng)靠近放置，以在设计中创造最佳的電(diàn)源完整性。

虽然我们一直在讨论混合信号设计的電(diàn)气需求，但仍需要高效地制造電(diàn)路板以获得最高良率。因此，在放置部件以实现最佳信号和電(diàn)源完整性时，还必须遵循所有(yǒu)可(kě)制造性设计 (DFM) 规则。布局的另一个关键方面是供電(diàn)网络的设计，我们将在接下来的这些混合信号PCB设计指南中探讨这一点。

不同类型的電(diàn)路现在通常组合在一块電(diàn)路板上

電(diàn)力输送网络的混合信号PCB设计指南

专注于对设计进行分(fēn)區(qū)的原因之一是為(wèi)電(diàn)路板创建一个非常稳健的接地系统。由于電(diàn)路板中有(yǒu)不同类型的電(diàn)路，一个问题是设计人员是否应该為(wèi)電(diàn)路的数字和模拟區(qū)域使用(yòng)单独的或分(fēn)离的接地层。如果模拟和数字電(diàn)路彼此完全隔离，或者如果電(diàn)路板产生高压電(diàn)流，则创建单独的接地可(kě)能(néng)会有(yǒu)所帮助。然而，将标准混合信号電(diàn)路板的模拟地和数字地分(fēn)开比将地保持在一个平面上更有(yǒu)可(kě)能(néng)引入新(xīn)的EMI问题。

接地层对于為(wèi)设计提供清晰的信号返回路径是必要的。在标准混合信号设计中，有(yǒu)信号在两个電(diàn)路區(qū)域之间交叉，这些交叉信号的返回路径将被分(fēn)开的接地层中断。单独的接地层很(hěn)可(kě)能(néng)会迫使信号通过電(diàn)缆、屏蔽层或系统框架找到新(xīn)的路径，从而在此过程中产生大量额外的噪声。為(wèi)避免此类信号和電(diàn)源完整性问题，标准混合信号设计的最佳接地配置是使用(yòng)一个完整的接地参考平面那不是分(fēn)裂。借助当今精心划分(fēn)的组件布局和数字電(diàn)路的速度，只要返回路径不被阻塞或损坏，返回路径自然会靠近其出站信号路由。除了作為(wèi)信号返回路径的最佳配置之外，单个接地层还有(yǒu)其他(tā)几个优点：

它们保护设计的敏感電(diàn)路免受传入 EMI 的影响。

它们的屏蔽还可(kě)以防止電(diàn)路板产生的任何内部干扰逃逸。

与较小(xiǎo)的平面或走線(xiàn)相比，大平面会产生较低阻抗的接地系统。

大型飞机还有(yǒu)助于散发大型处理(lǐ)器芯片或電(diàn)源组件的热量。

只要您提供与所有(yǒu)電(diàn)源引脚的可(kě)靠连接，您就可(kě)以在使用(yòng)電(diàn)源网络时拆分(fēn)平面。不要切断引脚的電(diàn)源，否则您可(kě)能(néng)会遇到電(diàn)源完整性问题和热连接。确保使用(yòng)短而宽的走線(xiàn)将電(diàn)源组件连接在一起，并将这些電(diàn)源组件和连接保持在電(diàn)路板的一侧，以最大限度地减少電(diàn)感。说到走線(xiàn)布線(xiàn)，接下来让我们看看其他(tā)一些用(yòng)于布線(xiàn)混合信号设计的指南。

管理(lǐ)设计规则和约束是混合信号PCB设计的重要组成部分(fēn)

混合信号设计中的走線(xiàn)

仔细划分(fēn)電(diàn)路板，将组件放置在最佳位置，并安装可(kě)靠的接地系统，大多(duō)数走線(xiàn)自然会遵循正确的路径。但是，对于混合信号PCB设计指南，有(yǒu)一些走線(xiàn)布線(xiàn)指南需要注意：

保持信号路径短而直接。

遵循原理(lǐ)图的信号路径，尤其是在高速電(diàn)路中。

小(xiǎo)心创建带有(yǒu)走線(xiàn)和过孔布線(xiàn)的天線(xiàn)。

電(diàn)源布線(xiàn)应使用(yòng)短、直且宽的走線(xiàn)来降低電(diàn)感。

确保将数字電(diàn)路的布線(xiàn)与模拟電(diàn)路隔离，反之亦然。

确保参考平面上有(yǒu)清晰的信号返回路径可(kě)用(yòng)于布線(xiàn)，尤其是那些在数字和模拟電(diàn)路區(qū)域之间的走線(xiàn)。

混合信号设计上的走線(xiàn)是设置和使用(yòng)设计规则和约束必不可(kě)少的一个领域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具為(wèi)其用(yòng)户提供了完整的约束管理(lǐ)系统（如上图所示），以设置走線(xiàn)布線(xiàn)宽度和其他(tā)关键设计规则。接下来，我们将了解PCB设计工具中有(yǒu)助于混合信号PCB布局的其他(tā)一些功能(néng)。

Cadence 的 Allegro PCB编辑器中的IR Drop 功能(néng)可(kě)以帮助您进行PDN设计

混合信号PCB设计必不可(kě)少的CAD工具功能(néng)

我们已经看到了使用(yòng)约束管理(lǐ)器為(wèi)跟踪路由设置设计规则的重要性。在对混合信号设计进行布線(xiàn)时，这对于标准布線(xiàn)、差分(fēn)对、阻抗控制走線(xiàn)、不同模拟信号以及電(diàn)源和接地走線(xiàn)所需的所有(yǒu)不同走線(xiàn)宽度都有(yǒu)很(hěn)大帮助。但是跟踪路由规则并不是 Cadence 的约束管理(lǐ)器控制的唯一规则。它还将控制组件间隙、通孔类型、测试约束，甚至是信号完整性和时序等電(diàn)气属性。

PCB布局工具中的其他(tā)功能(néng)也可(kě)以帮助您完成工作。其中包括3D查看和检查功能(néng)以及可(kě)在设计仍在布局时使用(yòng)的大量仿真工具。在上图中，您可(kě)以看到 IR Drop Vision 查看器，这将帮助您确保所有(yǒu)连接都接收到其功能(néng)所需的适当電(diàn)量。IR Drop Vision 是对混合信号 PCB设计进行完整 PDN 分(fēn)析的第一步，可(kě)以帮助您避免使用(yòng)多(duō)个原型构建进行昂贵的调试和测试。