混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)：原理圖級(jí)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

如果您不能拿起原理圖并知道(在中等水平上)設(shè)計(jì)應(yīng)該做什么以及應(yīng)該如何做，那么您還沒(méi)有真正完成設(shè)計(jì)師的工作。

您可以在原理圖中清楚地傳達(dá)的信息越多，隨著您的設(shè)計(jì)從想法到產(chǎn)品的進(jìn)展，每個(gè)人的生活就會(huì)越輕松。

在我關(guān)于混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)的第一篇專欄文章中，我們解決了這個(gè)問(wèn)題：它是什么?在我的第二篇專欄中——是什么讓它變得困難(呃)?— 我們考慮了是什么讓混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)比純模擬或純數(shù)字 PCB 設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

所以，既然我們已經(jīng)界定了這個(gè)話題，我們想談?wù)勎覀冏鳛樵O(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的原理圖階段可以做的一些事情，以便更清楚地向以后可能繼承這項(xiàng)工作的人傳達(dá)我們的設(shè)計(jì)意圖在產(chǎn)品的生命周期中。

原理圖的目的...

為了真正理解我們?cè)谶@篇博文中所表達(dá)的意思，我們都必須(至少為了這篇博文的目的)對(duì)原理圖的目的有一個(gè)共同的理解?；蛘?，也許更好的表達(dá)方式是：作為設(shè)計(jì)師，我們希望 原理圖成為什么，并在記錄我們的設(shè)計(jì)意圖時(shí)為我們做什么?

傳達(dá)功能：到目前為止，原理圖應(yīng)該做的最重要的事情是清楚地傳達(dá)您設(shè)計(jì)的功能。如果您不能拿起原理圖并知道(在中等水平上)設(shè)計(jì)應(yīng)該做什么以及應(yīng)該如何做，那么您還沒(méi)有真正完成設(shè)計(jì)師的工作。

一個(gè)很好的方法是使用第一張框圖，該框圖顯示了您的設(shè)計(jì)的各個(gè)部分如何從基本連接級(jí)別交互在一起。下面我們從 Terasic 開(kāi)發(fā)板 DE0-Nano-SoC 中看到了一個(gè)很好的例子。

觀察如何有足夠的細(xì)節(jié)讓你知道事物是如何連接的，板上有什么，以及一切是如何連接的。這是一個(gè)值得學(xué)習(xí)的非常好的例子。

傳達(dá)獨(dú)特的信息或特定于設(shè)計(jì)的特殊信息：我們這里的意思是您必須 在原理圖中傳達(dá)特定于設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。我們可能都熟悉的一個(gè)很好的例子是微處理器上的多種功能。

換句話說(shuō)，如果您將微處理器的 GPIO 引腳連接為 GPIO，請(qǐng)相應(yīng)地命名連接!如果您使用 GPIO 引腳作為 I2C 總線的一部分，請(qǐng)適當(dāng)?shù)孛B接!例如，可能是“I2C-SDA”，而不僅僅是“GPIO16”。

通過(guò)放入每個(gè)引腳的所有可能功能，可以從原理圖符號(hào)創(chuàng)建階段簡(jiǎn)化其中一些操作。是的，這需要時(shí)間，但它也能讓原理圖更清晰!

另一個(gè)很好的方法是用額外的文本、圖片和圖表來(lái)豐富您的原理圖!將關(guān)鍵信息添加到您的原理圖始終是一件好事，即使這意味著要使用額外的一張(或兩張或三張)紙來(lái)這樣做。

以下是我們自己的示意圖中的幾個(gè)示例。在一個(gè)示例中，我們展示了以太網(wǎng) PHY 所偏向的配置模式;另一方面，我們展示了多輸入范圍模擬前端所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)將這些信息放在原理圖上，您將節(jié)省您(和您的同事)的時(shí)間，并讓 閱讀它的任何人都清楚地知道意圖。

混合信號(hào)原理圖信息……

好的，但這對(duì)混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)意味著什么?傳達(dá)什么樣的信息很重要，尤其是在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中?我們很高興你問(wèn)...

多個(gè) GND/返回網(wǎng)絡(luò)：有時(shí)作為設(shè)計(jì)師，您會(huì)在設(shè)計(jì)中使用多個(gè) GND/返回網(wǎng)絡(luò)。也許您有隔離電路、靈敏的熱電偶調(diào)節(jié)電路、高功率開(kāi)關(guān)模式電源回路或局部 PLL 電源和回路網(wǎng)絡(luò)。

如果這是您發(fā)現(xiàn)自己在設(shè)計(jì)中所做的事情，那么讓您自己(以及我們其他人!)輕松一點(diǎn)，并適當(dāng)?shù)孛@些返回網(wǎng)絡(luò)!使用不同的符號(hào)是否更清楚?也許。使用不同的符號(hào)和唯一名稱(如“PLL-RTN”、“PGND”、“AGND”或“ISO-GND”)是否更清楚?絕對(duì)地!

但這有什么意義呢?所有這些額外的工作打字、命名網(wǎng)絡(luò)……誰(shuí)有時(shí)間?問(wèn)題是大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師都會(huì)欣賞這一點(diǎn)——它告訴他們返回平面被隔離或切斷是有原因的，而且是有充分理由的。它告訴將要使用此原理圖的工程師您正在關(guān)注細(xì)節(jié)。而且，它會(huì) 傳達(dá) 這樣一個(gè)事實(shí)，即使用多個(gè)返回網(wǎng)是有原因的，而不僅僅是因?yàn)槟粫r(shí)興起。它表明這些網(wǎng)絡(luò)旨在提供特定功能，并幫助分離電路返回路徑，這在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中非常重要。

來(lái)自電源網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)分支：由于您可能經(jīng)常在設(shè)計(jì)中使用多個(gè)電源 返回 路徑，因此您可能還必須使用多個(gè)電源 路徑 。有時(shí)，這些路徑并不處于不同的電壓電平，而可能只是與電路上的大容量電源高頻隔離。一個(gè)很好的例子就是高度集成的 DSP，它具有內(nèi)部 ADC 和 DAC 設(shè)備。

您可能希望通過(guò)使用相同的 VCC 電源作為這些轉(zhuǎn)換器的參考電壓來(lái)節(jié)省電路板空間和成本——這是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常做的事情——但如果您沒(méi)有清楚地命名這些 VCC 網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)造成混淆。

例如，請(qǐng)考慮以下內(nèi)容：

· 2V5

· 2V5-1

· 2V5-2

· 2V5-3

當(dāng)然，當(dāng)您最初捕獲原理圖時(shí)，您可能能夠以這種方式跟蹤事物，但它可能很快就會(huì)失控。稍后，當(dāng)您進(jìn)行 PCB 布局時(shí)，請(qǐng)忘掉它 — 您將原地打轉(zhuǎn)，試圖跟蹤命名“慣例”。

現(xiàn)在將前面的示例與以下示例進(jìn)行對(duì)比：

· 2V5

· 2V5-ADC-VREF

· 2V5-DAC-VREF

· 2V5-鎖相環(huán)

我們將留給您來(lái)決定哪個(gè)更清晰， 更有效地 傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖。

去耦電容器：有時(shí)在原理圖上，很難在每個(gè)引腳上放置電容器，即使這正是您想要在布局上完成的。在這里使用一些簡(jiǎn)單的文本注釋可以產(chǎn)生很大的不同，并且對(duì)任何進(jìn)行 PCB 布局的人都有很大的幫助。它可以簡(jiǎn)單地說(shuō)：

在每個(gè) VCC 引腳附近放置 (1) 10uF 和 (1) 0.1uF

…靠近一組 40 個(gè)電容器，用于 FPGA 的 20 個(gè)引腳。

混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的去耦可能很棘手，您可以越清楚地 傳達(dá) 您辛辛苦苦達(dá)成的設(shè)計(jì)意圖，最終產(chǎn)品就會(huì)越好。將原理圖上的注釋與唯一的網(wǎng)絡(luò)名稱和返回路徑相結(jié)合，可以大大有助于使設(shè)計(jì)中的所有電路保持良好狀態(tài)并按您希望的方式工作。

模擬電路筆記：這個(gè)相當(dāng)容易做，并且可以在原理圖級(jí)別添加很多內(nèi)容。例如，如果您花費(fèi)數(shù)小時(shí)微調(diào)運(yùn)算放大器濾波器，則可以在原理圖的適當(dāng)位置添加一些注釋，以便更容易理解功能，而無(wú)需啟動(dòng) SPICE 仿真器。一些模擬濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很復(fù)雜，除非您生活在那個(gè)世界中，否則大多數(shù)工程師都不會(huì)將其放在大腦的最前沿。

簡(jiǎn)單地寫(xiě)一些像……

'三階巴特沃斯低通濾波器，500kHz -3dB'

…意味著初級(jí)工程師和其他可能不是模擬大師的人可以看著這個(gè)模塊說(shuō)：“好吧，我可能不知道如何設(shè)計(jì)其中一個(gè)，但至少我知道它應(yīng)該做什么?！? 僅擁有這一級(jí)別的可用信息比我們?cè)S多人意識(shí)到的更重要，這也是我們通常認(rèn)為理所當(dāng)然的事情。

即使只是編寫(xiě)電路的增益和預(yù)期的輸出范圍，對(duì)于可能沒(méi)有很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的軟件工程師或技術(shù)人員進(jìn)行的調(diào)試來(lái)說(shuō)也是非常寶貴的。我們發(fā)現(xiàn)它對(duì)我們自己的設(shè)計(jì)很有用。有時(shí)發(fā)生的事情太多，以至于您忘記了一些細(xì)節(jié);沒(méi)關(guān)系，但是如果你把事情寫(xiě)下來(lái)，你將來(lái)會(huì)避免很多痛苦。

總結(jié)一下

我相信現(xiàn)在您已經(jīng)開(kāi)始明白了：您在原理圖中包含的有用信息越多越好。由于多種原因，此信息可能是有利的。例如，它可以幫助軟件工程師了解您希望芯片在啟動(dòng)時(shí)如何偏置，或者它可以告訴他們 I2C 設(shè)備的地址。執(zhí)行工作臺(tái)調(diào)試的技術(shù)人員可能會(huì)對(duì)它感興趣，告訴他們您希望某些引腳上的輸出電壓范圍是什么，某些組件應(yīng)該物理放置在哪里，或者電路塊應(yīng)該做什么。

所有這些都適用于任何設(shè)計(jì)，但由于野獸的復(fù)雜性，它在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中變得比以往任何時(shí)候都更加重要!多條供電路徑和返回路徑;集成 ASIC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和電源轉(zhuǎn)換器;清單不勝枚舉。但是，您可以 在原理圖中清楚地傳達(dá)的信息越多 ，隨著您的設(shè)計(jì)從想法到產(chǎn)品的進(jìn)展，每個(gè)人的生活就會(huì)越輕松。