混合信号PCB设计技术

我们所生活的模拟世界不断以这样或那样的方式被捕捉，而媒体正在全球共享。在所有这些数据的创建和消费之间，信息被转换为自身的数字表示，用于存储和传输。标准的现场广播和电视广播是通过端到端的模拟链完成的。随着数字协议将流量提升到模拟设备无法达到的水平，该技术已成为一个进化的死胡同。

我第一次意识到这种趋势是在美国政府将美国电话电报公司(AT&T)拆分为一个“婴儿铃”公司的时候。开云体育官方登录突然间，MaBell、PacBell和其他所有公司都需要新的办公设备。我们说的不是打印机和传真机。我们正在谈论的是电信史上最重要的转折点之一。在贝尔的发明之后的大约一个世纪里，一个由开关和电线组成的网络遍布全美。

图片来源:Vanalog文件-天空被电线弄黑了。

所谓的T1或普通老式电话系统(POTS)已经足够好了。一对双绞线可以接24个单独的电话。建立一个分部，埋下一堆扭曲的家伙。建立一个大都市，电线无处不在。城市的几何增长最终超出了罐子的承受能力。革命开始时，旧金山湾区已经从农业向科技倾斜。虽然美国电话电报公司进行了有史以来最大的一次注销，但整个模拟电话系统实际上并没有被废弃。

当地一家初创企业也加入了这场游戏，他们的货架上塞满了多氯联苯．这些机架被称为Trans-MUX，并具有一些重型数模转换器和模数转换器;这八张卡组成了一组在电话线上进行多路复用。市场上的新设备允许384个电话(Model 3)和576个电话(Model 4)通过双绞线拨打，而不是旧的限制，即同时拨打24个电话。由于旧的管道现在沿着城市到城市的干线进行了数字化，移动数据是自然的后续应用。多么可怕的应用程序啊。修复电话系统催生了互联网。就是这么简单，这么深刻。

图片来源:富士通-一个竞争的多路复用器的时期。

你不必重新发明电信，就能体会到将正弦波转换为比特流的价值。我们又做了一次手机革命．那时，我正在为射频放大器设计校正板。这些单载波和多载波放大器存在于无线电话工作的基站中。校正板通过各种技术使射频设备忠于其使命。校正板之间的共同主线是对数据流进行采样，然后以某种方式调整放大器的输入参数，以防止神奇的烟雾从设备中冒出来。

为什么止步于此?

另一家公司通过添开云体育官方登录加WIFI路由器芯片组帮助世界从手机转向智能手机。这是基于高通的CDMA技术。他们最终收购了这家初创公司，并将其IP纳入了他们的参考设计中。那也是我的工作。模拟运算放大器和比较器紧挨着数字信号处理器。我们从模拟部分得到的数字部分越远越好。无论是使用双面板的顶部和底部，还是单面布局的左侧和右侧，空间是最重要的混合信号设计器最好的朋友。当由于形式因素而被迫在一起时，我们将更愿意妥协传输链而不是接收链。这里的想法是接收链是一个能量较低的传输线，因此更容易受到错误噪声的影响。然后放大器得到噪声并做放大器该做的事。

通常的嫌疑人

确切地说，噪音来自哪里?大多数来自振荡器(晶体)或时钟线，但大型电感器和开关模式电源周围的电磁场也是臭名昭著的干扰源。任何类型的大电压波动都将成为一个问题，除非拉动电流的设备有所有必要的电容器，铁氧体珠，二极管，甚至终端电阻，放置和布线的环路长度最小。回路长度是从电源源到负载并通过地平面返回起始点的总路径。较小的循环围绕着设备及其组成的无源部件。

所有的能量都不只是停留在那里。它会被附近的金属物体吸引，比如打印出来的天线。这就是为什么我们疯狂地设计天线周围的地孔。天线本身通常打印在外层，下面所有其他层都是空铜的。空隙还消除了许多内层金属所提供的刚度。一块12层的板由于少了11层金属，几乎失去了一半的厚度。我们称之为“小偷”的小铜点不利于天线发挥作用，所以我们生活在一个脆弱的角落里。

它不需要被称为天线来工作。一个设备的干扰可以通过我们无法预测的耦合方式进入另一个设备。而仿真工具做好传输线的特点，每个设备都有小妖精。我们拥有的功能越多，出错的地方就越多。就各种失败方式而言，智能手机是我能想到的最糟糕的东西。每一代都增加一个新功能，占用很小的空间。人们从应用程序的角度来考虑这些东西，但许多功能必须通过硬件来充实。

蓝牙、GPS、WIFI、NFC等技术都有各自的设备或组合设备。无线电芯片不适合最新基带芯片的处理节点。用于模拟的微电路比用于数字电路的微电路大几个数量级。似乎我们总是会有设备在争夺空间、能量和呼吸空间。

给和平一个机会

共存的最佳答案是使用屏蔽来分离模拟块。但也有缺点。护盾占据三维空间。返工时必须把它们取下来。除非顶部穿孔，否则它们能留住热量。任何超出矩形的形状都需要一些工程设计，而且无论如何都要付出巨大的成本。我们可以在塑料上打印金属和/或将EMI屏蔽与产品外壳结合在一起的增材制造可能是隔离受害者与侵略者的下一个想法。

图片来源:微波和射频过时但仍然有用的典型盾牌视图

隔离要求可能令人生畏。高通对最新骁龙芯片的应用说明在某些情况下指定了100分贝。如果这是在人类听觉的频率范围内，那就像一架客机从你的屋顶上飞过，而没有人注意到。这样的屋顶很坚固，能让人察觉不到飞机在头顶上起飞。更安静的飞机可能也是原因之一。在电路板的第二版中增加了许多新的电阻、电容器和调节器，以帮助不同的设备更好地发挥作用。

差分对的作用类似于电话线中的双绞线。它们在抑制共模噪声方面比单端传输线要好得多。使用最少的层转换数量、最小的长度和尽可能多的可用空间的干净路由将有助于平息攻击者。正如你可能已经收集到的，一些相同的声音设计实践将为受害者提供更厚的皮肤，以抵御附近的谐波干扰。

扎实的哲学

如果不了解地平面，我们就不能全面了解混合信号路由。有孤立的返回路径是很常见的。电话设备的机架上有粗铜杆。它们被固定在同一个尼龙支架上，管理着其余的线束。它在PCB上的规模较小。单个设备将所有的比特和碎片接地在一起，在一个单一的位置与底盘接地相连。在整个地平面内可能有几个AGND口袋。我试图通过开槽地平面在晶体周围创建护城河，以将EMI带回父设备。所有这些小事加起来。

它归结为共存的两个承受者。一是首先通过使用强大的设计基础来减少电磁干扰。第二个是使设备更不受系统中残留的任何噪音的影响。美国联邦通信委员会(FCC)贴在合规设备上的贴纸说明了这两种情况。就像一个好的工程师一样，一个好的产品既要冷静，又要安静。熟悉模拟电路和数字电路将是在这两个世界之间工作的良好开端。