技術(shù)資訊 | 新一代器件的混合信號(hào)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

?如何為混合信號(hào)設(shè)計(jì)布局電路板

?關(guān)于限制電磁干擾（EMI）的討論

?了解可靠信號(hào)的地面和參考平面設(shè)置

現(xiàn)在幾乎在每一個(gè)新的電子設(shè)備上都能發(fā)現(xiàn)混合信號(hào)，擁有強(qiáng)大的基礎(chǔ)對(duì)于下一代設(shè)備的開發(fā)至關(guān)重要。

過(guò)去，電子產(chǎn)品通常由不同的單獨(dú)電路板組成，每個(gè)電路板都有自己的特定功能。然而，隨著設(shè)備的進(jìn)一步最小化和功能的增加，這些過(guò)去的多板設(shè)計(jì)正逐漸被包含模擬和數(shù)字信息的單板（也稱為混合信號(hào)板）所淘汰?，F(xiàn)代電子技術(shù)現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更能記錄和數(shù)字化現(xiàn)實(shí)世界的不同元素；從溫度到運(yùn)動(dòng)等等。這些不同的元件被捕獲為模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)必須被處理并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便與計(jì)算機(jī)和服務(wù)器接口?；旌闲盘?hào)板在確保這些模擬信號(hào)的完整性而不在包含數(shù)字信號(hào)的板上引入顯著噪聲方面面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)——這是混合信號(hào)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。讓我們深入研究這種類型的設(shè)計(jì)，看看如何處理敏感的模擬電路、布線、電源傳輸和EMI屏蔽。混合信號(hào)設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)

電路板中有很多信號(hào)是混合的。使用高級(jí)CAD程序?qū)⒂兄谠诓季謺r(shí)保持有序。

我們將要討論的許多混合信號(hào)設(shè)計(jì)技巧分為兩類：第一類是減少電磁干擾等噪聲，第二類是使設(shè)計(jì)盡可能不受現(xiàn)有噪聲的影響。在布線銅線之前，為混合信號(hào)設(shè)計(jì)制定一個(gè)強(qiáng)有力的平面布置圖是很重要的。一個(gè)好的平面布置圖將有助于元件的放置和布線。這樣做可以確保提供不同功能的電路的每個(gè)塊在板上都有自己的包含區(qū)域。為此，將類似用途的模擬組件相互組合在一起，并對(duì)數(shù)字組件進(jìn)行相同操作。最重要的是，將模擬和數(shù)字部分彼此分離。數(shù)字部分離模擬部分越遠(yuǎn)越好。分離可以包括使用雙面板的頂部和底部或單板的左側(cè)和右側(cè)——只要它們之間有足夠的空間。一般來(lái)說(shuō)，模擬信號(hào)是您需要采取大多數(shù)預(yù)防措施的地方。這些信號(hào)存在于一個(gè)連續(xù)的范圍內(nèi)，而數(shù)字信號(hào)是二進(jìn)制的——理論上，與模擬信號(hào)相比，這允許更大的誤差幅度。

需要遵循可制造性設(shè)計(jì)（DFM）規(guī)則來(lái)放置零件以獲得最佳的信號(hào)和功率完整性。這將有助于確保您的電路板的生產(chǎn)效率最高。

混合信號(hào)組件的放置和布局

設(shè)置一個(gè)好的疊層可以幫助消除板上的EMI。

一旦您的平面布置圖被布置好，組件放置是良好的混合信號(hào)設(shè)計(jì)的下一步。如前所述，保持模擬電路和數(shù)字電路之間的分區(qū)將有助于減少串?dāng)_和EMI，同時(shí)提高模擬信號(hào)的完整性。以重型電路為中心對(duì)于產(chǎn)生大量熱量的重型數(shù)字電路，如大型處理器和內(nèi)存組件，請(qǐng)將它們集中在電路板上，以獲得更好的散熱效果。由于它們有很多連接它們的路由，因此將組件居中將使它們更容易訪問(wèn)。其他數(shù)字部件，如ADC，應(yīng)靠近并以類似方式居中。設(shè)置旁路電容器一旦你放置了所有的主要和大型組件，設(shè)置你的旁路電容器。將這些電容器放置在盡可能靠近數(shù)字電路的位置。在地面反彈或電源尖峰的情況下，它們可以幫助您的設(shè)備保持可靠的電源。允許直接路由最后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，放置零件，以便在它們之間進(jìn)行最直接的布線。避免造成需要在數(shù)字電路之間路由模擬電路的情況，反之亦然。這將進(jìn)一步有助于減少噪音，并允許更短的軌跡，我們將在后面的章節(jié)中深入研究。物理屬性

板的成功取決于層堆疊的配置方式，特別是電源和地平面。在布線之前，請(qǐng)將圖層設(shè)置為易于訪問(wèn)。具體而言，在需要較短信號(hào)返回路徑的組件的相鄰層上設(shè)置參考平面。這將有助于最小化噪聲并提高信號(hào)完整性。在配置層堆疊時(shí)，請(qǐng)記住您的平面布置圖，以確保您有適當(dāng)?shù)目臻g沿線路布線。疊層配置在限制EMI方面也是必不可少的。盡管減少層數(shù)可以節(jié)省制造成本，但它可能會(huì)產(chǎn)生整體信號(hào)完整性受損的最終結(jié)果。高速信號(hào)、敏感信號(hào)和噪聲電源電路應(yīng)相互隔離。一個(gè)好的解決方案是為疊層創(chuàng)建額外的層，并為接地平面提供足夠的層來(lái)屏蔽這些信號(hào)免受EMI的影響。

布線指南

一旦你在電路板上布置好你的組件，并有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，大多數(shù)跟蹤路由就會(huì)自然到位。一般來(lái)說(shuō)，路由的兩個(gè)基本規(guī)則是：

1. 保持信號(hào)路徑短而直接。

2. 使數(shù)字電路的跡線遠(yuǎn)離模擬電路。

關(guān)于信號(hào)路徑長(zhǎng)度，這應(yīng)該適用于您的所有電路塊。電源的痕跡應(yīng)該特別短，并且盡可能寬，以減少電感。確保從參考平面有一個(gè)短的信號(hào)返回路徑，以減少漂移。盡量減少過(guò)渡層，這樣可以增加長(zhǎng)度對(duì)于高速電路，請(qǐng)盡可能靠近示意圖中的信號(hào)路徑。在布線走線和過(guò)孔時(shí)，也有可能創(chuàng)建天線，所以要集中精力減少環(huán)路大小。用重要的過(guò)孔布線模擬走線也會(huì)產(chǎn)生電感，因此也可以出于這個(gè)原因盡量減少層過(guò)渡。保護(hù)您的模擬信號(hào)對(duì)設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。疊層中的金屬平面可以提供良好的屏蔽。因此，在帶狀線配置中在兩個(gè)平面層之間路由敏感信號(hào)是良好的實(shí)踐。如果沒(méi)有足夠的空間來(lái)擴(kuò)大間距，請(qǐng)使用保護(hù)走線來(lái)防止兩個(gè)平行模擬走線之間的串?dāng)_。這也可以作為模擬和數(shù)字走線之間的屏蔽。最后，可以用過(guò)孔形成電路的功能分區(qū)之間的屏蔽邊界或圍欄。過(guò)孔圍欄既有效又易于放置，但請(qǐng)注意，它們會(huì)占用大量的板空間。使用先進(jìn)的PCB軟件確實(shí)可以幫助進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)。將組件緊密地放置在具有各種走線寬度的特定間距寬度需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

混合信號(hào)板的供電擁有可靠的電源是強(qiáng)大電路性能不可或缺的一部分，尤其是對(duì)于混合信號(hào)設(shè)計(jì)。放置每個(gè)電源的電路，使其與敏感的模擬和數(shù)字電路隔離，同時(shí)也靠近組件本身。高速PCB由于其功率傳輸網(wǎng)絡(luò)（PDN）而經(jīng)常遭受各種問(wèn)題，例如瞬態(tài)振鈴。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在電源附近的設(shè)計(jì)中包括去耦電容器，并在堆疊中放置彼此相鄰的接地層和電壓層，以提供高的晶面電容。

此圖像顯示了一個(gè)接地平面，該接地平面的中心有一個(gè)用于過(guò)孔的大間隙。接地平面上的這個(gè)大間隙大大擴(kuò)展了返回信號(hào)路徑，在電路中產(chǎn)生了各種不穩(wěn)定性。

返回路徑的布局對(duì)電路板的運(yùn)作也至關(guān)重要。信號(hào)不應(yīng)穿過(guò)地平面斷裂的區(qū)域（見上圖）。具有許多過(guò)孔的平面或截面中的間隙可能會(huì)阻塞信號(hào)的返回路徑。這可能導(dǎo)致返回信號(hào)在返回源之前漂移，這是EMI和信號(hào)完整性降低的主要原因。確保信號(hào)返回路徑盡可能短，以獲得最佳板性能。屏蔽電路板免受EMI干擾

安裝在板上的大型EMI屏蔽的幾個(gè)示例。

信號(hào)可能會(huì)受到各種問(wèn)題的影響，包括接地反彈、串?dāng)_、電源噪聲，尤其是電磁干擾（EMI）。EMI可以完全改變正常工作的電路板的功能。如果EMI處理不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)以下任何問(wèn)題：

?通信中斷

?干擾無(wú)線設(shè)備

?傳感器數(shù)據(jù)損壞

?組件故障

?軟件錯(cuò)誤或故障

處理現(xiàn)有EMI的最佳方法是使用金屬屏蔽。通過(guò)從上面和四個(gè)側(cè)面用金屬覆蓋電路板的關(guān)鍵區(qū)域，使其不那么容易受到影響，在下面一層接地平面形成法拉第籠。這具有屏蔽大量不需要的EMI的能力。然而，屏蔽可能是有代價(jià)的：請(qǐng)注意，EMI屏蔽不是平的，需要允許訪問(wèn)其下面的組件。此外，熱量可能會(huì)被困在這些防護(hù)罩下，除非它們被穿孔。理想情況下，使用這些屏蔽可以屏蔽所有傳入的EMI。然而，在現(xiàn)實(shí)中，需要有用于熱冷卻的開口、板上的焊點(diǎn)，以及足夠的空間進(jìn)行潛在的小調(diào)整。PCB屏蔽的常見材料包括鍍錫軋鋼、時(shí)間鍍銅、不銹鋼等。

另一種進(jìn)一步屏蔽的最后方法是使用差分對(duì)，其作用就像電話電纜中的雙絞線。這樣，它們可以比單端傳輸線更好地抑制共模噪聲。

減少噪聲源

噪音可能來(lái)自多種來(lái)源。最值得注意的是，來(lái)自振蕩器（晶體）或時(shí)鐘線以及大型電感器和電源周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。任何類型的大電壓波動(dòng)都可能產(chǎn)生問(wèn)題，除非拉電流的設(shè)備包含必要的電容器、鐵氧體磁珠、二極管和終端電阻器，并且布線保持在最小長(zhǎng)度。該長(zhǎng)度是從電源經(jīng)過(guò)負(fù)載，然后返回接地平面的路徑。一般來(lái)說(shuō)，較小的環(huán)路長(zhǎng)度將產(chǎn)生較少的噪聲，從而產(chǎn)生較少的EMI。RF能量可以被附近的金屬物體（例如印刷天線）吸收。因此，在天線周圍放置接地過(guò)孔可能有助于減少不必要的干擾。為了進(jìn)一步降低EMI，將天線印刷在外層上，其正下方的下層不含銅。最后一點(diǎn)：來(lái)自電路一部分或另一個(gè)設(shè)備的干擾可能會(huì)以不可預(yù)測(cè)的方式與現(xiàn)有的銅回路耦合。換句話說(shuō)，任何傳導(dǎo)回路都可能成為不需要的天線。

地面和參照平面提示

有了所有敏感的電子設(shè)備，擁有一個(gè)精心設(shè)計(jì)的接地平面是至關(guān)重要的。為了使它們盡可能可靠，不要穿過(guò)帶有走線的平面的阻塞區(qū)域，因?yàn)榇┻^(guò)它們的布線可能會(huì)降低返回路徑，從而產(chǎn)生噪聲。理論上，分離平面可以在電路的模擬和數(shù)字區(qū)域之間創(chuàng)建更好的隔離。然而，在實(shí)踐中，在參考平面中使用分裂平面、切口或孔可能會(huì)導(dǎo)致EMI，并為信號(hào)返回路徑造成進(jìn)一步的障礙。如果可能，請(qǐng)避免使用拆分平面。在非情況下，分離平面對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，確保兩個(gè)平面在一個(gè)點(diǎn)上相互連接，因?yàn)槎鄠€(gè)連接點(diǎn)可以創(chuàng)建用于輻射EMI的天線環(huán)路。當(dāng)使用完整的接地平面，模擬和數(shù)字部分分別布線時(shí)，可以產(chǎn)生清晰的返回路徑，從而減少總體EMI，而不是分裂平面。

結(jié)論

SPEED2000是用于分析和設(shè)計(jì)高速PCB的通用時(shí)域工具。軟件采用FDTD仿真技術(shù)進(jìn)行多層電源地間的三維電磁場(chǎng)仿真。SPEED2000真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中的電源地網(wǎng)絡(luò)，考慮封裝和印刷電路板中的各種電磁效應(yīng)，包括電源地之間的波動(dòng)（同步開關(guān)噪聲），過(guò)孔和走線之間的耦合，以及電路和封裝間的交互作用。