混合信号PCB电路板布局设计指南
关键的外卖
在混合信号设计中放置组件。
混合信号PCB设计要求的电力输送网络。
混合信号PCB布局上的路由迹线。
有些路由可能是你的混合信号PCB设计的一部分
电子产品过去由多个电路板组成，每个电路板处理一种设计的不同功能。深入研究这些旧系统可能会发现一个处理器板，一个电源板，音频和视频卡，甚至一个风扇控制PCB。随着对更小的电子设备、更大的功能以及降低制造费用的需求，许多这些多板系统已经被一种混合信号设计所取代。
乍一看，混合信号PCB布局本质上与任何其他布局相同。零件必须放置，网络必须被路由，电源和地平面必须连接。然而，一旦你仔细观察，你会发现有一些独特的需求，如果你没有准备好，就会带来设计上的挑战。我们将在这些混合信号PCB设计指南中列出这些要求，以帮助您进行下一次设计。
混合信号PCB布局中的元件放置
在准备布局混合信号PCB设计时，在开始放置组件之前，必须制定设计的平面图。有很多方法可以创建一个平面图，从在餐巾背面画画到使用先进的CAD软件。无论你选择哪种方式，首先制定一个平面图会对你有帮助分区不同的电路区域，这样当你布置PCB时，它们的信号就不会混合。这一步对于减少电路板数字和模拟部分之间的串扰和EMI等噪声问题非常重要，并且通常可以提高设计的整体信号完整性。
随着电路板的电路现在划分，您可以开始放置组件。混合信号布局就像任何其他PCB设计一样，零件将需要根据行业标准规则和间隙放置。然而，当你放置部件时，有一些独特的混合信号注意事项需要注意:
维护分区:保持敏感的数字和模拟组件以及路由彼此分离对于创建最佳信号完整性至关重要。它可以非常诱人地改变平面图，在大多数情况下，你将不得不做一些改变，但你必须保持不同的电路彼此隔离。
较大的处理器和内存组件:这些部件占用了大量的空间，需要大量的布线，并产生大量的热量。它们需要更多地位于电路板的中心，以便散热，并靠近其相关电路，以获得最佳的信号完整性性能。
旁路电容:在混合信号设计中，电源完整性的需求尤其重要，因为混合信号可能会受到地反射和功率峰值的影响。为了抵消这些影响，处理器上的每个电源引脚通常都有自己的旁路电容。这些帽必须放置尽可能接近他们的分配引脚短和直接路由。
关联部分及路由:通常，在原理图中为处理器和存储设备的敏感电路设置了信号路径。从连接器开始，每个部分都需要放置在处理器和存储芯片周围，以保留原理图的信号路径。
电力供应:每个电源的电路需要与敏感的数字和模拟电路隔离，同时靠近它们所供电的设备。在这些供应之间也应该有一个分离，以帮助平衡板热。在每个单独的电源中，电源部件需要尽可能地相互靠近，以在设计中创造最佳的电源完整性。
虽然我们一直在谈论混合信号设计的电气需求，但电路板仍然需要高效地制造以获得最高产量。因此，在放置部件以获得最佳信号和电源完整性时，遵循所有可制造性设计(DFM)规则也是必要的。布局的另一个关键方面是电力输送网络的设计，接下来我们将在这些混合信号PCB设计指南中看到这一点。
不同类型的电路现在通常组合在一块电路板上
电力输送网络混合信号PCB设计指南
专注于分区设计的原因之一是为电路板创建一个非常健壮的接地系统。由于电路板中有不同类型的电路，一个问题是设计人员应该为电路的数字和模拟区域使用单独的或分开的地平面。如果模拟电路和数字电路彼此完全隔离，或者如果电路板产生高压电流，创建单独的接地可能会有所帮助。然而，将标准混合信号电路板的模拟地和数字地分开，比将地保持在一个平面上更有可能引入新的EMI问题。
地平面必须为设计提供清晰的信号返回路径。在标准的混合信号设计中，有信号在电路的两个区域之间交叉，这些交叉信号的返回路径将被分离的地平面打断。分开的地平面很可能会迫使信号通过电缆、屏蔽或系统框架寻找新的路径，在此过程中产生大量额外的噪声。为了避免这样的信号和电源完整性问题，标准混合信号设计的最佳地线配置是使用一个完整的地线参考面这不是分裂。通过仔细划分的组件位置和当今数字电路的速度，只要返回路径没有被阻塞或损坏，返回路径将自然地保持接近其输出信号路由。除了作为信号返回路径的最佳配置外，单一地平面还有其他几个优点:
- 它们屏蔽了设计中的敏感电路，使其免受外来的EMI干扰。
- 它们的屏蔽还可以防止任何由电路板产生的内部干扰逸出。
- 大平面比小平面或走线产生更低阻抗的接地系统。
- 大型飞机还有助于从大型处理器芯片或电源组件散热。
在使用电源网络时，只要提供与所有电源引脚的坚固连接，就可以分割平面。不要切断插脚的电源供应，否则你可能会遇到电源完整性问题和热连接。确保使用短宽走线布线将功率组件连接在一起，并将这些功率组件和连接全部保持在单板的一侧，以减少电感。说到跟踪路由，接下来让我们看看用于混合信号设计路由的其他一些指导方针。
管理设计规则和约束是混合信号PCB设计的重要组成部分
混合信号设计中的跟踪路由
电路板经过仔细划分，组件位于最佳位置，并且有一个可靠的地面系统，大多数跟踪路由将自然地遵循正确的路径。但是，对于混合信号PCB的布线设计准则，有一些跟踪布线准则需要注意:
- 保持信号路径短而直接。
- 遵循原理图中的信号路径，特别是在高速电路中。
- 在创建带有走线和过孔路由的天线时要小心。
- 电源布线应采用短、直、宽的走线以降低电感。
- 确保数字电路的路由与模拟电路隔离，反之亦然。
- 确保在参考平面上有一个清晰的信号返回路径可用于路由，特别是那些在数字和模拟电路区域之间的痕迹。
混合信号设计上的跟踪路由是设置和使用设计规则和约束的一个重要领域。PCB布局工具，如Cadence的Allegro PCB Editor，为用户提供了一个完整的约束管理系统(如上图所示)，以设置跟踪路由宽度和其他关键的设计规则。接下来，我们将看看PCB设计工具中的其他一些功能，这些功能将有助于混合信号PCB布局。
Cadence的Allegro PCB编辑器中的IR Drop功能可以帮助您的PDN设计
对混合信号PCB设计至关重要的CAD工具功能
我们已经看到了使用约束管理器为跟踪路由设置设计规则的重要性。当路由混合信号设计时，这对于标准路由、差分对、阻抗控制走线、不同模拟信号以及电源和接地走线所需的所有不同走线宽度都有很大的帮助。但是跟踪路由规则并不是Cadence的Constraint Manager控制的唯一规则。它还将通过类型、测试约束，甚至电气属性(如信号完整性和定时)来控制组件间隙。
在PCB布局工具中还有其他功能也可以帮助您的工作。这些功能包括3D查看和检查功能以及大量的仿真工具可以在设计还在布局时使用。在上图中，您可以看到IR Drop Vision查看器，它将帮助您确保所有连接接收到所需的适当电量。IR Drop Vision是对混合信号PCB设计进行完整PDN分析的第一步，可以帮助您避免使用多个原型构建进行昂贵的调试和测试。
有关PCB设计以及如何使用您的电路板的PDN的更多信息，请查看此电子书从节奏。
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