你的位置:首頁 > 測試測量 > 正文

混合信號(hào)PCB布局設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則

發(fā)布時(shí)間:2022-10-25 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文將詳細(xì)說明在設(shè)計(jì)混合信號(hào)PCB的布局時(shí)應(yīng)考慮的內(nèi)容。本文涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量,文中討論的準(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。


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(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)常爭論的一個(gè)話題,但對(duì)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(gè)單一問題可能會(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。


1664443135939899.png

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。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(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)則是通過提供最短路徑來使電流輕松返回。


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(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1英寸。

●   為使實(shí)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。


6.png

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)。


7.jpg

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(gè)典型4層PCB的設(shè)置:


表1. 典型4層PCB

8.png


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IR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,這些年來針對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)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(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至少須有一層專門用于接地平面,以確保返回信號(hào)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(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。


9.png

圖4. 采用實(shí)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(shí)接地平面相對(duì)于分離接地平面的優(yōu)勢。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。


10.jpg

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(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(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實(shí)現(xiàn)。星形接地中沒有電流流動(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(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(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)的問題發(fā)生。



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:


ePort-G 時(shí)鐘信號(hào)究竟有什么作用?

延壽又瘦身 如何一招提高物聯(lián)網(wǎng)器件電池能效比

基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)—第1部分:設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和電路配置

無線通信基礎(chǔ)設(shè)施中離不開的有線連接與接插件

如何確保有源EMI濾波器的穩(wěn)定性和性能

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉