下一代设备的混合信号设计

关键的外卖

• 如何为混合信号设计布局电路板。
• 关于限制电磁干扰(EMI)的讨论。
• 了解可靠信号的地面和参考平面设置。

现在几乎每一种新的电子设备上都有混合信号。拥有坚实的基础对于下一代设备的开发至关重要。

在过去，电子产品通常由不同的独立电路板组成，每个电路板都有自己的特定功能。然而，随着设备的进一步最小化和功能的增加，这些过去的多板设计正在被包含模拟和数字信息的单板所淘汰，也被称为混合信号板。

现代电子技术比以往任何时候都更能记录和数字化现实世界的不同元素;从温度到运动等等。这些不同的元素被捕捉为模拟信号，必须经过处理和转换模拟-数字转换器一种数字信号，以便与计算机和服务器连接。

混合信号板提出了自己独特的挑战，即确保这些模拟信号的完整性，而不会在包含数字信号的板上引入显著的噪声-这是混合信号设计的关键。让我们深入研究这种类型的设计，看看如何处理敏感的模拟电路、路由、电源传输和EMI屏蔽。

混合信号设计:基础

电路板上有很多混合信号。使用先进的CAD程序将帮助您在布局时保持组织。

我们将讨论的许多混合信号设计技巧分为两类之一:第一类是减少噪声，如电磁干扰第二是使设计尽可能不受现有噪音的影响。

在布线之前，为混合信号设计制定一个强有力的平面图是很重要的。一个好的平面图将有助于组件的放置和生产线的路由。这样做可以确保服务于不同功能的每个电路块在电路板上都有自己的包含区域。为此，将相似用途的模拟组件彼此组合在一起，并对数字组件进行相同的分组。

最重要的是，将模拟部分和数字部分分开。数字部分与模拟部分距离越远越好。分离可以包括使用双面板的顶部和底部或单个板的左侧和右侧-只要它们之间有显著的空间。

一般来说，模拟信号是需要采取这些预防措施的地方。这些信号存在于一个连续的范围内，而数字信号是二进制的——理论上，这允许与模拟信号相比有更大的误差范围。后可制造性设计(DFM)规则所要求的放置部位为信号和电源的最佳完整性。这将有助于确保您的电路板的制造是高效的，产量最高。

混合信号组件的放置和布局

设置一个良好的层堆叠可以帮助消除EMI从你的板。

一旦你的平面图布置好了，组件放置是好的混合信号设计的下一步。如前所述，保持模拟电路和数字电路之间的分区将有助于减少串扰和EMI，同时增加模拟信号的完整性。

保持重型电路居中

对于产生大量热量的重型数字电路(如大型处理器和内存组件)，请将它们集中在电路板上，以便更好地散热。由于它们之间有很多路由连接，因此将组件居中将使它们更容易访问。其他数字组件，如adc，应该保持在附近，并以类似的居中。

设置旁路电容

一旦你放置了所有的主要和大型组件，设置你的旁路电容器。把这些电容器尽量靠近你的数字电路。在地面反弹或电力峰值的情况下，它们可以帮助您的设备保持可靠的电力。

允许直接路由

最后，作为一个经验法则，放置你的部件以允许它们之间最直接的路由。避免创建需要在数字电路和模拟电路之间布线的情况。这将进一步帮助减少噪音，并允许更短的跟踪，我们将在后面的部分深入研究。

层分层盘旋飞行

你的电路板的成功依赖于你的层堆叠是如何配置的，特别是你的电源和地平面。在你的路线，设置你的层容易访问。具体地说，在需要较短信号返回路径的组件的相邻层上设置参考平面。这将有助于减少噪声和提高信号完整性。在配置您的层堆叠时，请记住您的平面图，以确保您有适当的空间进行路由。

堆叠层配置在限制电磁干扰方面也是必不可少的。虽然减少层数可以节省制造成本，但它可能会导致整体信号完整性受损。高速信号、敏感信号和有噪声的电源电路应相互隔离。一个好的解决方案是为堆栈和创建额外的层为地面平面提供足够的层数保护这些信号不受电磁干扰。

路由指南

保持你的轨迹宽和短是一个主要的关键在布局混合信号设计。

一旦您在电路板上布置了组件，并设置了良好的地面系统，大多数跟踪路由将自然就位。一般来说，路由的两个基本规则是:

1. 保持信号路径短而直接。
2. 让数字电路的痕迹远离模拟电路。

关于信号路径长度，这应该适用于所有的电路块。从你的电源线路应保持特别短，尽可能宽，以减少电感。确保有一个短的信号从参考平面返回路径，以减少徘徊。保持路由使用最小的过渡层，因为这也会增加长度。

对于高速电路，尽可能接近原理图中的信号路径。当路由轨迹和过孔时，还有一个创造天线的可能性，所以专注于减少你的圈的大小。用重要的通孔布线模拟轨迹也会产生电感，因此也要为此最小化你的层过渡。

保护模拟信号对于设备的可靠性至关重要。堆叠中的金属平面可以提供很好的屏蔽效果。因此，在带线配置的两个平面层之间路由敏感信号是很好的做法。如果没有足够的空间来扩大间距，则使用保护迹线来防止两个并行模拟迹线之间的串扰。这也可以作为模拟和数字痕迹之间的屏蔽。最后，可以通过通孔形成电路功能分区之间的屏蔽边界或围栏。通过栅栏有效且易于放置，但注意它们会占用大量的电路板空间。

使用先进的PCB软件对这样的设计确实有帮助。将组件紧密地放置在具有各种迹线宽度的特定间距宽度上需要详细的数据库管理。使用CAD系统设计规则管理好这些限制可以帮助你保持有条不紊。

混合信号板的功率传输

拥有可靠的电源对于强大的电路性能是不可或缺的，特别是对于混合信号设计。放置每个电源的电路，使其与敏感的模拟和数字电路隔离，同时也靠近组件本身。

高速pcb由于其功率传输网络(pdn)，经常遭受各种问题，如瞬态振铃。为了解决这个问题，在电源附近的设计中加入去耦电容，并在堆叠中将接地层和电压层相邻放置，以提供高的面间电容。

这张图片显示了一个地面平面，在中心有一个很大的通孔间隙。地平面上的这个大间隙显著地扩展了返回信号的路径，在电路中产生了各种不稳定。

飞机本身的布局对你的滑板的运作也很重要。信号不应该在地平面被破坏的区域被路由(见上图)。有许多通孔的平面或截面上的间隙会阻塞信号的返回路径。这可能会导致返回信号在返回源之前徘徊，这是EMI和降低信号完整性的主要原因。确保信号返回路径尽可能短，以获得最佳的单板性能。

保护您的电路板免受电磁干扰

一些大型EMI屏蔽的例子，你可能想要安装在你的电路板上。

信号可能会受到各种问题的影响，包括地面反弹、串扰、电源噪声，以及最明显的电磁干扰(EMI)。电磁干扰可以完全改变正常工作电路板的功能。如果EMI没有得到妥善处理，可能会出现以下任何问题:

• 通信中断
• 无线设备干扰
• 传感器数据损坏
• 组件故障
• 软件错误或故障

处理已经存在的电磁干扰的最好方法是使用金属屏蔽。通过从上面和四面覆盖金属，使板的关键区域不那么容易受到影响，在下面一层地面上创建一个法拉第笼。这具有屏蔽大量不必要的电磁干扰的能力。

然而，屏蔽是有代价的:请注意，EMI屏蔽不是平的，需要允许访问它们下面的组件。此外，热量会被困在这些盾牌下，除非它们被穿孔。它们还会导致整体上更加复杂的电路板，使得调试和测试更加困难。

理想情况下，使用这些屏蔽可以屏蔽所有传入的电磁干扰。但在现实中，需要有用于热冷却的开口，电路板上的焊点，以及足够的空间进行潜在的小调整。常用材料:PCB盾牌包括镀锡轧制钢，时间镀铜，不锈钢，和更多。

进一步屏蔽的最后一种方法是使用差分对，就像电话线中的双绞线一样。这样，它们可以比单端传输线更好地抑制共模噪声。

减少噪声源

噪音可以来自各种各样的来源。最值得注意的是，来自振荡器(晶体)或时钟线以及大型电感器和电源周围产生的电磁场。

任何类型的电压波动都可能产生问题，除非拉电流的设备包含必要的电容器、铁氧体珠、二极管和端接电阻，并将布线保持在最小长度。这个长度是从电源经过负载再回到地平面的路径。一般来说，更短的环路长度将产生更少的噪声，产生更少的EMI。

射频能量可以被附近的金属物体吸收，如印刷天线。因此，在天线周围放置地通孔可能有助于减少不必要的干扰。为了进一步降低电磁干扰，将天线打印在外层上，其正下方的底层是无铜的。

最后要注意的是:电路的一部分或另一个设备的干扰会以不可预知的方式与现有的铜回路耦合。换句话说，任何导电环都可能成为无用的天线。为了确保这种情况不会发生，请使用模拟工具来帮助您描述您的电路板并查看发生了什么。

地面和参考平面提示

一个印刷电路板上的分割平面的例子。

在你的电路板上有所有的敏感电子器件，有一个精心设计的接地面是必不可少的。为了使它们尽可能可靠，不要穿过带痕迹的平面阻塞区域，因为通过这些区域的路由会通过降低返回路径而产生噪声。

理论上，分割平面可以在电路的模拟和数字区域之间创建更好的隔离。然而，在实践中，在参考平面中使用分割平面、切口或孔洞会导致EMI，并为信号返回路径创建进一步的障碍。如果可能，避免使用分割平面。在不正常的情况下，分割平面对混合信号设计至关重要，确保两个平面在一个点上相互连接，因为多个连接点可以创建天线回路，主要用于辐射EMI。当使用一个完整的接地平面，并且模拟和数字部分分别布线时，可以产生一个清晰的返回路径，从而降低总体EMI。

使用ECAD工具组织您的设计

使用智能ECAD软件可以在混合信号设计中为您提供很大帮助。例如，在跟踪路由中，PCB工具允许用户设置跟踪路由宽度和其他关键设计规则，以确保其设计符合规范。特别是对于混合信号设计，这对于标准路由所需的所有不同的走线宽度都很有用，例如差分对、阻抗控制走线、不同的敏感模拟信号、功率和地平面。

其他有用的功能包括3 d查看,如果你在设计中添加了EMI屏蔽，这尤其有用。抑扬顿挫有很多仿真工具(其中混合信号模拟工具)，可以在设计布局时使用。有了这些先进的工具，设计师可以处理更复杂的设计，并以更快的速度和更少的错误完成它们。