PCB设计中的高速模拟布局技术

2021-10-13

PCB设计中的高速模拟布局技术

最重要的是，员工从传统办公室环境转移到在家工作，这表明我们真正生活在数字时代的程度。从共享的在线文档到视频会议，远程工作人员正在尽可能多地利用他们可以使用的计算机和网络。然而，仅仅因为我们都是这个数字时代的一部分并不意味着我们生活在一个数字世界中。

我们的世界充满了必须由模拟电子设备检测和捕捉的景象和声音。然后必须将这些模拟信号转换为数字格式以供计算机和其他数字设备处理，然后才能跨不同网络以电子方式共享。转换这些格式的工作属于 PCB 中的混合信号电路，而且在满足当今的电子要求方面，他们的工作遥遥领先。以下是一些高速模拟布局技术，可以帮助混合信号 PCB设计在其任务中取得成功。

混合信号 PCB设计

从我们所见所闻到温度和运动，不同电子设备捕获的感官事件的数量已经变得无法计算。这些动作或事件中的每一个都被捕获为模拟信号，然后必须将其转换为在计算机等数字系统中进行处理。这种转换的工作属于模拟到数字的是在混合信号电路板，这些系统中使用的转换器。

模拟信号将根据其来源的幅度而变化。例如，相机或麦克风检测到的光量或声音量会改变所捕获信号的幅度。然而，模拟电路依赖于其信号的连续电压或电流，并依赖于在其传输和接收过程中的精确控制以正确解释。相比之下，数字信号只有两个值；开和关。这种结构允许在传输方式上有更大的误差幅度，使它们的设计比模拟同类产品更容易。

PCB设计人员必须在布局期间正确分离模拟和数字电路，以防止这两种信号类型相互影响。随着我们的继续，我们将研究执行此操作的不同方法。

模拟布局需要紧密的组件放置

高速模拟布局技术的元件布局和走线布线

模拟和数字电路的最终成功很大程度上取决于 PCB设计中层堆叠的配置情况。高速信号需要相邻层上的参考平面作为信号返回路径，以最大限度地减少噪声并提高信号完整性。因此，板层堆叠的配置需要在考虑一般布局的情况下完成，以确保在适当的层上有足够的布线空间。设计人员可以通过依赖高速模拟布局技术来实现这一点，例如按照组件的功能和电路块将组件组合在一起，以创建一个平面图，作为实际组件放置的模板。该平面图需要在功能分区中将数字和模拟电路相互隔离，而组间的互连则是为了最直接的路由而安排的。

平面图完成后，设计人员可以直接进入组件布局。请记住，目标是使布线尽可能短和直接，因此必须相应地配置部件的位置。以下是一些使用模拟电路时需要牢记的高速模拟布局技术和布局提示：

放置零件以在彼此之间进行最直接的布线。

不要将部件放置在您将被迫通过模拟电路路由数字信号的地方，反之亦然。

尽可能保持组件放置紧密，以减少模拟走线的长度。

请记住根据组装商推荐的可制造性设计(DFM) 标准放置零件。

让噪声较大的部件（如 ADC）远离电路板边缘并位于更中心的位置。

放置元件然后布线是许多 PCB设计人员使用的工作流程；然而，有时同时布局和布线对模拟布局很有帮助。无论哪种方式，这里都有一些关于模拟跟踪路由的建议：

保持跟踪路由尽可能短和直接。您已经完成的紧密组件放置应该已经促进了这种布线，并将有助于减少阻抗不匹配和信号反射的机会。

布线模拟电路时使用更宽的走线宽度。

尽可能将模拟走线限制在单个板层内。过孔会产生电感，并且在带有过孔的层之间转换的次数越少越好。

不要将模拟走线穿过数字电路区域或数字走线穿过模拟区域。

尽可能将模拟和数字路由限制在其电路区域内。这将进一步减少混合信号串扰的机会。

路由模拟和数字信号的最后一条规则是永远不要与走线交叉参考平面的阻塞区域。由于信号返回路径不佳，在参考平面上通过这些区域布线会产生噪声。

通过该区域在相邻层上布线可能会导致信号返回路径受阻

模拟布局的供电网络建议

您设计的模拟和数字组件都需要向它们提供干净的电源，但高速 PCB 经常受到 PDN 的许多问题的困扰，例如瞬态振铃。这通常通过在设计中包含大量去耦电容器并通过在叠层中放置彼此相邻的接地层和电压层来提供高层间电容来解决。再次重申，如何配置板层堆叠对混合信号设计的成功至关重要。

您如何在您的设计中布置地平面对于电路板的操作也很重要。正如我们之前提到的，信号不应该穿过接地层断开的区域。无论是平面间隙还是密集通孔区域，如上图所示，接地平面的中断可能会阻塞信号的清晰返回路径，迫使其在返回源的途中四处游荡。这种漂移是 EMI 和设计中信号完整性降低的主要原因之一。为避免这些问题，请确保您的信号在参考平面上具有清晰的返回路径，以获得最佳电路板性能。如本文顶部的视频所示，设计工具（如 Cadence 的 Allegro PCB 编辑器）具有帮助设计信号返回路径的高级功能。

可能导致电路板上信号返回路径出现大问题的障碍之一是分离的接地层。如果您的设计包含分割平面，请勿将分割线与走线布线交叉。信号的返回路径将被完全切断，从而造成更严重的信号完整性问题。但是，更好的计划是根本不拆分地平面。尽管许多人认为接地分离可以在电路的模拟和数字区域之间实现更好的隔离，但它也会产生比预期更多的问题。我们已经提到了清晰的信号返回路径的问题，如果使用底盘接地，也有可能在各部分之间引入共模电流。取而代之的是，使用完整的接地层以及电路的模拟和数字区域分别放置和布线，对于那些必须在部分之间传播的少数信号，您将拥有清晰的返回路径。消除接地平面分裂可以解决许多 EMI 问题并为您提供更简洁的设计，因为模拟和数字信号会自然地围绕其走线形成紧密的返回路径。

显然，对于这样的设计，在 PCB布局期间需要管理许多细节。使用先进的设计系统可以为设计师提供更高水平的帮助。

Cadence Allegro 的约束管理器用于设置路由和过孔设计规则

如何使用您的 PCB CAD 工具

将元件紧密地放置在精确的空间宽度上并为模拟电路布线不同的走线宽度和间距需要详细的数据库管理。您需要确保完全设置并使用 CAD 系统的设计规则来控制这些约束。在上图中，您可以看到 Allegro 中约束管理系统的示例，以及如何为单个元素或组件和网络类别的组件间隙、迹线宽度和间距输入不同的值。