混合信號(hào)PCB布局設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則

摘要

本文詳細(xì)說(shuō)明在設(shè)計(jì)混合信號(hào)PCB的布局時(shí)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(hào)板的布局設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)用方法，對(duì)所有背景的工程師應(yīng)當(dāng)都能有所幫助。

簡(jiǎn)介

混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)要求對(duì)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(hào)干擾。構(gòu)成現(xiàn)代系統(tǒng)的元件既有在數(shù)字域運(yùn)行的元件，又有在模擬域運(yùn)行的元件，必須精心設(shè)計(jì)以確保整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

作為混合信號(hào)開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(huì)意外產(chǎn)生此類電容）引起的干擾。

接地也是混合信號(hào)系統(tǒng)的PCB布局設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。盡管接地是行業(yè)中經(jīng)常爭(zhēng)論的一個(gè)話題，但對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，制定一套標(biāo)準(zhǔn)化方法不一定是最簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，高質(zhì)量接地的某個(gè)單一問(wèn)題可能會(huì)影響高性能混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的整個(gè)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(jì)的整體完整性，并應(yīng)有助于避免高噪聲信號(hào)干擾。

在制定平面圖時(shí)，建議遵循原理圖的信號(hào)路徑，尤其是對(duì)于高速電路。元件的位置也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。設(shè)計(jì)人員應(yīng)能識(shí)別重要的功能模塊、信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)不會(huì)與數(shù)字信號(hào)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(gè)很好的例子。分割模擬和數(shù)字部分時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

• 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(shí)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(gè)具有低數(shù)字電流的混合信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，則對(duì)此的處理方式可以與模擬平面中包含的模擬元件相似。
• 對(duì)于具有多個(gè)高電流ADC和DAC的設(shè)計(jì)，建議將模擬和數(shù)字電源分開(kāi)。也就是說(shuō)，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(huì)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(shí)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(yàn)，電源模塊必須與電路的其余部分隔離，同時(shí)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(gè)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(jì)人員在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)性能時(shí)必須考慮的重要參數(shù)之一。PSRR衡量器件對(duì)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(yùn)行創(chuàng)造一個(gè)低噪聲環(huán)境?；疽?guī)則是通過(guò)提供最短路徑來(lái)使電流輕松返回。

設(shè)計(jì)人員務(wù)必注意關(guān)于每個(gè)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(shí)施方案：

• 電解電容充當(dāng)瞬態(tài)電流的電荷儲(chǔ)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(huì)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(guò)過(guò)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(shí)有多個(gè)輸出切換時(shí)，這種布置可防止運(yùn)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(guò)1英寸。
• 為使實(shí)施更輕松，可以利用器件GND引腳附近的過(guò)孔通過(guò)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(jiàn)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(jì)的另一個(gè)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?yàn)檫@將確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)電路板的電流和信號(hào)。

圖3.4層PCB示例

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

表1.典型4層PCB

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(hào)，而底層用于輔助信號(hào)。第二層（接地層）充當(dāng)阻抗控制信號(hào)的參考平面，用于減少I(mǎi)R壓降并屏蔽頂層中的數(shù)字信號(hào)。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?yàn)樗鼈兲峁┝祟~外的平面間電容，有助于電源的高頻去耦。

對(duì)于接地層，這些年來(lái)針對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的建議已改變。多年來(lái)，將接地平面分為模擬和數(shù)字兩部分是有道理的，但是對(duì)于現(xiàn)代的混合信號(hào)器件，建議采用一種新方法。適當(dāng)?shù)钠矫嬉?guī)劃和信號(hào)分離應(yīng)能防止高噪聲信號(hào)的相關(guān)問(wèn)題。

接地平面：分離還是不分離？

接地是混合信號(hào)PCB布局設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。典型4層PCB至少須有一層專門(mén)用于接地平面，以確保返回信號(hào)通過(guò)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(duì)于混合信號(hào)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(hào)器件最好通過(guò)單一接地進(jìn)行管理。更進(jìn)一步，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)混合信號(hào)電流需求考慮哪種接地做法最合適。設(shè)計(jì)人員須考慮兩種接地做法。

單一接地平面

對(duì)于具有單個(gè)低數(shù)字電流ADC或DAC的混合信號(hào)系統(tǒng)，單一實(shí)接地平面會(huì)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(gè)完整環(huán)路的電流。為了防止混合信號(hào)干擾，必須跟蹤整個(gè)PCB布局中的每條返回路徑。

圖4.采用實(shí)接地平面的系統(tǒng)的返回電流

圖4中的簡(jiǎn)單電路顯示了單一實(shí)接地平面相對(duì)于分離接地平面的優(yōu)勢(shì)。信號(hào)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(dòng)。

對(duì)于低頻信號(hào)，返回電流將沿著電阻最小的路徑流動(dòng)，通常是器件接地基準(zhǔn)點(diǎn)之間的直線。但對(duì)于較高頻率信號(hào)，返回電流的一部分會(huì)嘗試沿著信號(hào)路徑返回。這是因?yàn)檠卮寺窂降淖杩馆^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(duì)于難以采用實(shí)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(gè)混合信號(hào)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(duì)于采用分離接地平面的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體接地的最簡(jiǎn)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(guò)星形接地交界處流回。星形接地是混合信號(hào)布局設(shè)計(jì)中模擬和數(shù)字接地平面連接在一起的交界處。

在常見(jiàn)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(jiǎn)單狹窄連續(xù)交界相關(guān)。對(duì)于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，星形接地通常用跳線分流到接地接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。星形接地中沒(méi)有電流流動(dòng)，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(gè)接地具有相同的基準(zhǔn)電平。

設(shè)計(jì)人員務(wù)必檢查每個(gè)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(wèn)題。另一方面，具有AGND和DGND引腳的混合信號(hào)器件可以與各自的接地平面相連，因?yàn)樾切谓拥匾矔?huì)在一點(diǎn)上連接兩種接地。這樣，所有高噪聲數(shù)字電流都會(huì)流過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

其他常見(jiàn)接地做法

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

• 星形接地點(diǎn)的連接應(yīng)由較寬的銅走線構(gòu)成。
• 檢查接地平面有無(wú)窄走線，這些連接是不合需要的。
• 提供焊盤(pán)和過(guò)孔很有用，以便在必要時(shí)可以連接模擬和數(shù)字接地平面。

結(jié)論

混合信號(hào)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(diǎn)。當(dāng)努力實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)系統(tǒng)布局的最佳性能時(shí)，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(jì)人員必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一。制定元件平面規(guī)劃圖將有助于奠定系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)電路板的電流和信號(hào)。最后，選擇最有利的接地方案將會(huì)改善系統(tǒng)性能，并防止與高噪聲信號(hào)和返回電流相關(guān)的問(wèn)題發(fā)生。