混合信號PCB布局設(shè)計的基本準(zhǔn)則

摘要

本文詳細(xì)說明在設(shè)計混合信號PCB的布局時應(yīng)考慮的內(nèi)容。本文將涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量。本文討論的準(zhǔn)則為混合信號板的布局設(shè)計提供了一種實用方法，對所有背景的工程師應(yīng)當(dāng)都能有所幫助。

簡介

混合信號PCB設(shè)計要求對模擬和數(shù)字電路有基本的了解，以最大程度地減少（如果不能防止的話）信號干擾。構(gòu)成現(xiàn)代系統(tǒng)的元件既有在數(shù)字域運行的元件，又有在模擬域運行的元件，必須精心設(shè)計以確保整個系統(tǒng)的信號完整性。

作為混合信號開發(fā)過程的重要組成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置僅僅是開始。還有其他因素必須考慮，包括電路板各層以及如何適當(dāng)管理這些層，以最大程度地減少寄生電容（PCB的平面間層之間可能會意外產(chǎn)生此類電容）引起的干擾。

接地也是混合信號系統(tǒng)的PCB布局設(shè)計中的一個重要步驟。盡管接地是行業(yè)中經(jīng)常爭論的一個話題，但對于工程師來說，制定一套標(biāo)準(zhǔn)化方法不一定是最簡單的任務(wù)。例如，高質(zhì)量接地的某個單一問題可能會影響高性能混合信號PCB設(shè)計的整個布局。因此，不應(yīng)忽略此方面。

元件放置

與建造房屋類似，放置電路元件之前必須創(chuàng)建系統(tǒng)的平面規(guī)劃圖。此步驟將奠定系統(tǒng)設(shè)計的整體完整性，并應(yīng)有助于避免高噪聲信號干擾。

在制定平面圖時，建議遵循原理圖的信號路徑，尤其是對于高速電路。元件的位置也是設(shè)計的關(guān)鍵方面。設(shè)計人員應(yīng)能識別重要的功能模塊、信號以及模塊之間的連接，從而確定各元件在系統(tǒng)中的最佳位置。例如，連接器最好放置在板的邊緣，而輔助元件（如去耦電容和晶振）必須盡可能靠近混合信號器件放置。

模擬和數(shù)字模塊分離

為了盡量減少模擬和數(shù)字信號的共同返回路徑，可以考慮模擬和數(shù)字模塊分離，以使模擬信號不會與數(shù)字信號混合。

圖1.模擬和數(shù)字電路分離

圖1顯示了模擬和數(shù)字電路分離的一個很好的例子。分割模擬和數(shù)字部分時應(yīng)注意以下事項：

建議將敏感的模擬元件（如放大器和基準(zhǔn)電壓源）放置在模擬平面內(nèi)。類似地，高噪聲的數(shù)字元件（如邏輯控制和時序模塊）必須放在另一側(cè)/數(shù)字平面上。

如果系統(tǒng)包含一個具有低數(shù)字電流的混合信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，則對此的處理方式可以與模擬平面中包含的模擬元件相似。

對于具有多個高電流ADC和DAC的設(shè)計，建議將模擬和數(shù)字電源分開。也就是說，AVCC必須與模擬部分綁定，而DVDD應(yīng)連接到數(shù)字部分。

微處理器和微控制器可能會占用空間并產(chǎn)生熱量。這些器件必須放置在電路板的中心以便更好地散熱，同時應(yīng)靠近與其相關(guān)的電路模塊。

電源模塊

電源是電路的重要組成部分，應(yīng)妥善處理。根據(jù)經(jīng)驗，電源模塊必須與電路的其余部分隔離，同時仍應(yīng)靠近其供電的元件。

復(fù)雜系統(tǒng)中的器件可能有多個電源引腳，在這種情況下，模擬部分和數(shù)字部分可以分別使用專用電源模塊，以避免高噪聲數(shù)字干擾。

另一方面，電源布線應(yīng)短而直，并使用寬走線以減小電感和避免限流。

去耦技術(shù)

電源抑制比(PSRR)是設(shè)計人員在實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)性能時必須考慮的重要參數(shù)之一。PSRR衡量器件對電源變化的靈敏度，最終將決定器件的性能。

為了保持最佳PSRR，有必要防止高頻能量進(jìn)入器件。為此，可以利用電解電容和陶瓷電容的組合將器件電源適當(dāng)去耦到低阻抗接地平面。

適當(dāng)去耦的目的是為電路運行創(chuàng)造一個低噪聲環(huán)境?；疽?guī)則是通過提供最短路徑來使電流輕松返回。

設(shè)計人員務(wù)必注意關(guān)于每個器件的高頻濾波建議。更重要的是，該清單將用作指南，提供一般去耦技術(shù)及其正確的實施方案：

電解電容充當(dāng)瞬態(tài)電流的電荷儲存器，以最大程度地降低電源上的低頻噪聲，而低電感陶瓷電容用于降低高頻噪聲。另外，鐵氧體磁珠是可選的，但會增加高頻噪聲隔離和去耦。

去耦電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置。這些電容應(yīng)通過過孔或短走線連接到低阻抗接地平面的較大區(qū)域，以最大程度地減少附加串聯(lián)電感。

較小電容（通常為0.01μF至0.1μF）應(yīng)盡可能靠近器件的電源引腳放置。當(dāng)器件同時有多個輸出切換時，這種布置可防止運行不穩(wěn)定。電解電容（通常為10μF至100μF）距離器件的電源引腳應(yīng)不超過1英寸。

為使實施更輕松，可以利用器件GND引腳附近的過孔通過T型連接將去耦電容連接到接地平面，而不是創(chuàng)建走線。示例參見圖2。

圖2.電源引腳的去耦技術(shù)

電路板層

一旦完成元件放置和平面規(guī)劃圖，我們就可以看看電路板設(shè)計的另一個方面——通常稱之為電路板層。強(qiáng)烈建議先考慮電路板層，再進(jìn)行PCB布線，因為這將確定系統(tǒng)設(shè)計的允許回流路徑。

電路板層指電路板中銅層的垂直布置。這些層應(yīng)管理整個電路板的電流和信號。

圖3.4層PCB示例

圖3顯示了電路板各層的視覺表示。表1詳細(xì)說明了一個典型4層PCB的設(shè)置：

通常，高性能數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)應(yīng)有四層或更多層。頂層通常用于數(shù)字/模擬信號，而底層用于輔助信號。第二層（接地層）充當(dāng)阻抗控制信號的參考平面，用于減少IR壓降并屏蔽頂層中的數(shù)字信號。最后，電源平面位于第三層。

電源和接地平面必須彼此相鄰，因為它們提供了額外的平面間電容，有助于電源的高頻去耦。

對于接地層，這些年來針對混合信號設(shè)計的建議已改變。多年來，將接地平面分為模擬和數(shù)字兩部分是有道理的，但是對于現(xiàn)代的混合信號器件，建議采用一種新方法。適當(dāng)?shù)钠矫嬉?guī)劃和信號分離應(yīng)能防止高噪聲信號的相關(guān)問題。

接地平面：分離還是不分離？

接地是混合信號PCB布局設(shè)計中的一個重要步驟。典型4層PCB至少須有一層專門用于接地平面，以確保返回信號通過低阻抗路徑返回。所有集成電路接地引腳應(yīng)路由并直接連接到低阻抗接地平面，從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。

對于混合信號系統(tǒng)，分離模擬和數(shù)字接地已成為一種標(biāo)準(zhǔn)接地方法。但是，具有低數(shù)字電流的混合信號器件最好通過單一接地進(jìn)行管理。更進(jìn)一步，設(shè)計人員必須根據(jù)混合信號電流需求考慮哪種接地做法最合適。設(shè)計人員須考慮兩種接地做法。

單一接地平面

對于具有單個低數(shù)字電流ADC或DAC的混合信號系統(tǒng)，單一實接地平面會是最佳方法。要理解單一接地層的重要性，我們需要回顧返回電流。返回電流是指返回接地以及器件之間的走線以形成一個完整環(huán)路的電流。為了防止混合信號干擾，必須跟蹤整個PCB布局中的每條返回路徑。

圖4.采用實接地平面的系統(tǒng)的返回電流

圖4中的簡單電路顯示了單一實接地平面相對于分離接地平面的優(yōu)勢。信號電流具有大小相等但方向相反的返回電流。該返回電流在接地平面中流回源，它將沿著阻抗最小的路徑流動。

對于低頻信號，返回電流將沿著電阻最小的路徑流動，通常是器件接地基準(zhǔn)點之間的直線。但對于較高頻率信號，返回電流的一部分會嘗試沿著信號路徑返回。這是因為沿此路徑的阻抗較低，流出和返回的電流之間形成的環(huán)路最小。

模擬地和數(shù)字地分離

對于難以采用實接地方案的復(fù)雜系統(tǒng)，分離接地可能更合適。分離接地平面是另一種常用方法，接地平面一分為二：模擬接地平面和數(shù)字接地平面。這適用于具有多個混合信號器件并消耗高數(shù)字電流的更復(fù)雜系統(tǒng)。圖5顯示了采用分離接地平面的系統(tǒng)示例。

圖5.采用分離接地平面的系統(tǒng)的返回電流

對于采用分離接地平面的系統(tǒng)，實現(xiàn)整體接地的最簡單解決方案是消除接地平面的中斷，并允許返回電流采取更直接的路線，通過星形接地交界處流回。星形接地是混合信號布局設(shè)計中模擬和數(shù)字接地平面連接在一起的交界處。

在常見系統(tǒng)中，星形接地可以與模擬和數(shù)字接地平面之間的簡單狹窄連續(xù)交界相關(guān)。對于更復(fù)雜的設(shè)計，星形接地通常用跳線分流到接地接頭來實現(xiàn)。星形接地中沒有電流流動，因此不需要承載高電流的接頭和跳線分流器。星形接地的主要作用是確保兩個接地具有相同的基準(zhǔn)電平。

設(shè)計人員務(wù)必檢查每個器件的數(shù)據(jù)手冊中提供的接地建議，確保符合接地要求并避免與接地有關(guān)的問題。另一方面，具有AGND和DGND引腳的混合信號器件可以與各自的接地平面相連，因為星形接地也會在一點上連接兩種接地。這樣，所有高噪聲數(shù)字電流都會流過數(shù)字電源，一直流到數(shù)字接地平面，并回到數(shù)字電源，同時與敏感的模擬電路隔離。AGND和DGND平面的隔離必須在多層PCB的所有層上實現(xiàn)。

其他常見接地做法

可以采用下面的步驟或檢查清單來確保在混合信號/數(shù)字系統(tǒng)中實施了適當(dāng)?shù)慕拥胤桨福?

星形接地點的連接應(yīng)由較寬的銅走線構(gòu)成。

檢查接地平面有無窄走線，這些連接是不合需要的。

提供焊盤和過孔很有用，以便在必要時可以連接模擬和數(shù)字接地平面。

結(jié)論

混合信號應(yīng)用的PCB布局可能很有挑戰(zhàn)性。創(chuàng)建元件平面規(guī)劃圖只是起點。當(dāng)努力實現(xiàn)混合信號系統(tǒng)布局的最佳性能時，正確管理電路板層和制定適當(dāng)?shù)慕拥胤桨敢彩窍到y(tǒng)設(shè)計人員必須考慮的關(guān)鍵點之一。制定元件平面規(guī)劃圖將有助于奠定系統(tǒng)設(shè)計的整體完整性。適當(dāng)?shù)亟M織電路板層將有助于管理整個電路板的電流和信號。最后，選擇最有利的接地方案將會改善系統(tǒng)性能，并防止與高噪聲信號和返回電流相關(guān)的問題發(fā)生。

致謝

本文介紹的內(nèi)容是基于許多人的貢獻(xiàn)整理而成的，包括Eric Carty、Genesis Garcia、Giovanni Aguirri、Brendan Somers、Stuart Servis、Leandro Peje、Mar Christian Lacida和Yoworex Tiu。

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