電路板 Layout 的混合信號 PCB 設計指南

本文重點

在混合信號 PCB Layout 上布線

在混合信號設計中放置器件。

電源分配網絡的混合信號 PCB 設計要求。

以前，電子產品包含多個電路板，每塊電路板負責處理不同的功能。在這些舊系統(tǒng)中，可能包括處理器電路板、電源電路板、音頻和視頻卡，甚至風扇控制的 PCB。隨著業(yè)內開始追求更小的電子產品、更強大的功能，并希望降低制造成本，這類多電路板系統(tǒng)逐漸被混合信號設計所取代。

乍看之下，混合信號 PCB Layout 與任何其他 Layout 并沒有太大不同，都需要放置器件、完成網絡布線以及連接電源和接地平面。但經過仔細觀察就會發(fā)現，混合信號設計有一些獨特的要求，如果沒有做好準備，可能會面臨設計上的挑戰(zhàn)。我們將在混合信號 PCB 設計指南中列出這些要求，幫助您完成下一個設計。

一些布線可能是混合信號 PCB 設計的一部分

混合信號 PCB Layout中的器件擺放

在準備布置混合信號 PCB 設計時，必須先制定布局規(guī)劃，之后再開始放置器件。創(chuàng)建布局規(guī)劃的方法有很多，從在餐巾的紙背面草擬到使用高級 CAD 軟件。無論選擇哪種方式，先進行布局規(guī)劃都有助于劃分不同的電路區(qū)域，避免它們的信號在布置 PCB 時發(fā)生混合。此步驟有助于最大限度地減少電路板數字和模擬區(qū)域部分之間的串擾和 EMI 等噪聲問題，進而提高設計整體的信號完整性。

保持分區(qū)：將敏感的數字和模擬器件與布線彼此分離，確保最佳信號完整性。有時可能需要更改布局規(guī)劃，在大多數情況下，我們不得不進行一些調整，但又必須確保不同電路之間保持分離。

較大的處理器和內存器件：這些器件占用較大的空間，需要大量布線，同時會產生很多熱量。為了方便散熱，它們需要放置在電路板的中心位置，同時需要靠近相關電路，以獲得最佳的信號完整性。

旁路電容器：在混合信號設計中，電源完整性尤為重要，因為接地反彈和電源尖峰可能會對設計造成影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個電源引腳通常都配有自己的旁路電容器。這些電容器必須盡可能靠近指定引腳，以確保布線簡短且直接。

相關器件和布線：通常情況下，設計人員會在原理圖中為處理器和存儲器設備的敏感電路設置一條信號路徑。從連接器開始，每個器件都要放在處理器和存儲芯片周圍，以保留原理圖的信號路徑。

電源：每個電源的電路都需要與敏感的數字和模擬電路隔離，同時靠近它們所供電的設備。這些電源之間也要保持適當的隔離，以平衡電路板的熱量分布。每個電源的內部器件應盡可能靠近彼此放置，以確保在設計中實現最佳的電源完整性。

雖然我們一直在討論混合信號設計的電氣需求，但為了獲得最高的良率，電路板仍需要高效的制造工藝。因此，在放置器件以實現最佳信號和電源完整性時，需要遵循所有可制造性設計 (DFM) 規(guī)則。Layout 的另一個關鍵方面是電源分配網絡的設計，我們將在接下來的混合信號 PCB 設計指南中探討這一點。

現在，不同類型的電路通常集成在同一個電路板上

電源分配網絡的

混合信號 PCB 設計指南

之所以在設計時要重點關注設計分區(qū)，其中一個原因是要為電路板創(chuàng)建一個非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)。因為電路板上集成了不同類型的電路，所以需要考慮一個問題：設計人員是否應該對電路的數字區(qū)域和模擬區(qū)域使用單獨或分開的接地平面。如果模擬電路和數字電路彼此完全隔離，或者電路板產生高壓電流，那么分開接地可能會有所幫助。然而，相較于在同一平面接地，將標準混合信號電路板的模擬接地和數字接地分開往往更容易引入新的 EMI 問題。

要為設計提供清晰的信號返回路徑，接地平面起著至關重要的作用。在標準混合信號設計中，如果信號在兩個電路區(qū)域之間交叉，這些交叉信號的返回路徑將被分離的接地平面中斷。單獨的接地平面很可能會迫使信號通過電纜、屏蔽或系統(tǒng)框架尋找新的返回路徑，從而產生大量額外的噪聲。為了避免此類信號和電源完整性問題，標準混合信號設計的最佳接地配置是使用一個完整的接地參考平面。得益于精心設計的器件布局和當今數字電路的速度，只要沒有被阻塞或中斷，返回路徑自然會靠近其出站信號布線。除了提供信號返回路徑的最佳配置之外，單個接地平面還有以下優(yōu)點：

保護設計中的敏感電路免受外部 EMI 的影響。

防止電路板產生的任何內部干擾逸出。

與較小的平面或走線相比，較大的平面可以創(chuàng)建阻抗較低的接地系統(tǒng)。

大平面還有助于散發(fā)大型處理器芯片或電源器件的熱量。

只要為所有電源引腳提供穩(wěn)健的連接，即可在使用電源網絡時分割平面。不要切斷引腳的電源，否則可能會出現電源完整性和熱連接問題。確保使用短而寬的走線布線將電源器件連接在一起，并將這些電源器件和連接全部放在電路板的同一側，以便最大限度地降低電感。說到走線布線，我們接下來看看混合信號設計布線的另外一些指南。

管理設計規(guī)則和約束是混合信號 PCB 設計的重要組成部分

混合信號設計中的走線布線

通過仔細劃分電路板區(qū)域、將器件擺放在最佳位置以及建立穩(wěn)健的接地系統(tǒng)，大多數走線布線自然會遵循正確的路徑。但在混合信號 PCB 設計布線中，有一些走線布線指南需要特別注意：

信號路徑要簡短、直接。

遵循原理圖的信號路徑，特別是在高速電路中。

創(chuàng)建天線時，要留意走線和過孔的布線。

電源布線應使用短而直的寬走線，以降低電感。

確保數字電路的布線與模擬電路隔離，反之亦然。

確保參考平面上有可用于布線的清晰信號返回路徑，尤其是數字和模擬電路區(qū)域之間的走線。

在混合信號設計中，走線布線是設置和使用設計規(guī)則及約束的關鍵環(huán)節(jié)。PCB Layout 工具（例如 Cadence 的 Allegro X PCB Designer）可以為用戶提供一個全面的約束管理系統(tǒng)（如上圖所示），幫助用戶設置走線布線寬度和其他關鍵設計規(guī)則。接下來，我們將探討 PCB 設計工具中有助于混合信號 PCB Layout 的其他功能。

Cadence 的 Allegro X PCB Designer 中的 IR Drop 功能有助于進行電源分配網絡 （PDN）設計

混合信號 PCB 設計必備的

CAD 工具功能

我們已經看到了使用約束管理器來設置走線布線設計規(guī)則的重要性。在為混合信號設計布線時，這可以幫助我們針對標準布線、差分對、阻抗控制走線、不同的模擬信號以及電源和接地走線使用所需的不同走線寬度。但是，走線布線規(guī)則并不是 Cadence Constraint Manager 所控制的唯一規(guī)則。它還可以控制器件間隙、過孔類型、測試約束，甚至能控制信號完整性和時序等電氣屬性。

您還可以使用 PCB Layout 工具中的其他功能，包括 3D 視圖和檢查功能以及在設計 Layout 期間使用的大量仿真工具。上圖展示的是 IR Drop Vision 查看器，它可以幫助用戶確保所有連接均獲得其功能所需的適當電源分配。IR Drop Vision 是對混合信號 PCB 設計進行完整 PDN 分析的第一步，利用該工具，用戶無需使用多個原型模塊進行昂貴的調試和測試。

有關 PCB 設計以及如何使用電路板 PDN 的更多信息，請查看 Cadence 提供的這本 PCB 電源分配網絡（PDN）設計指南。