電路板布局的混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)指南
電路板布局的混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)指南
一些可能是混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)一部分的布線
電子產(chǎn)品過(guò)去由多個(gè)電路板組成，每個(gè)電路板處理不同的設(shè)計(jì)功能。深入其中一個(gè)舊系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)處理器板、電源板、音頻和視頻卡，甚至是風(fēng)扇控制 PCB。隨著對(duì)更小電子產(chǎn)品、更強(qiáng)大功能的需求以及降低制造成本的需求，這些多板系統(tǒng)中的許多已被一種混合信號(hào)設(shè)計(jì)所取代。
乍一看，混合信號(hào) PCB布局與任何其他布局基本相同。必須放置零件，必須布線網(wǎng)絡(luò)，并且必須連接電源和接地層。然而，一旦你仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果你沒(méi)有準(zhǔn)備好，有一些獨(dú)特的要求可能會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。我們將在這些混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)指南中列出這些要求，以幫助您進(jìn)行下一個(gè)設(shè)計(jì)。
混合信號(hào) PCB布局中的元件布局
在準(zhǔn)備布局混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須在開(kāi)始放置元件之前制定設(shè)計(jì)的平面圖。有許多創(chuàng)建平面圖的方法，從在餐巾紙背面繪圖到使用高級(jí)CAD軟件。無(wú)論您選擇哪種方式，首先制定平面圖將幫助您劃分不同的電路區(qū)域，以便在您布置PCB時(shí)它們的信號(hào)不會(huì)混合。此步驟對(duì)于最大限度地減少電路板數(shù)字和模擬部分之間的串?dāng)_和 EMI 等噪聲問(wèn)題非常重要，并且通常可以提高設(shè)計(jì)的整體信號(hào)完整性。
電路板的電路現(xiàn)已分區(qū)，您可以開(kāi)始放置組件。混合信號(hào)布局與任何其他PCB設(shè)計(jì)一樣，需要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則和間隙放置部件。但是，在放置部件時(shí)需要注意一些獨(dú)特的混合信號(hào)注意事項(xiàng)：
保持分區(qū)：保持敏感的數(shù)字和模擬組件以及路由彼此分開(kāi)對(duì)于創(chuàng)建最佳信號(hào)完整性至關(guān)重要。更改平面圖可能非常誘人，在大多數(shù)情況下，您將不得不進(jìn)行一些更改，但您必須使不同的電路彼此隔離。
更大的處理器和內(nèi)存組件：這些部件占用大量空間，需要大量布線，并產(chǎn)生大量熱量。它們需要更多地位于電路板的中心以進(jìn)行散熱并靠近其相關(guān)電路以獲得最佳信號(hào)完整性性能。
旁路電容器：電源完整性的需求在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中尤為重要，它可能會(huì)受到接地反彈和電源尖峰的影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個(gè)電源引腳通常都有自己的旁路電容器分配給它。這些電容必須盡可能靠近其分配的引腳放置，以便進(jìn)行短而直接的布線。
相關(guān)部件和布線：通常，原理圖中為處理器和存儲(chǔ)設(shè)備的敏感電路設(shè)置了一條信號(hào)路徑。從連接器開(kāi)始，每個(gè)部件都需要放置在處理器和內(nèi)存芯片周圍，以保留原理圖的信號(hào)路徑。
電源：每個(gè)電源的電路需要與敏感的數(shù)字和模擬電路隔離，同時(shí)靠近它們供電的設(shè)備。這些電源之間也應(yīng)該分開(kāi)，以幫助平衡電路板的熱量。電源部件需要在每個(gè)單獨(dú)的電源中盡可能靠近放置，以在設(shè)計(jì)中創(chuàng)造最佳的電源完整性。
雖然我們一直在討論混合信號(hào)設(shè)計(jì)的電氣需求，但仍需要高效地制造電路板以獲得最高良率。因此，在放置部件以實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)和電源完整性時(shí)，還必須遵循所有可制造性設(shè)計(jì) (DFM) 規(guī)則。布局的另一個(gè)關(guān)鍵方面是供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，我們將在接下來(lái)的這些混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南中探討這一點(diǎn)。
不同類型的電路現(xiàn)在通常組合在一塊電路板上
電力輸送網(wǎng)絡(luò)的混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南
專注于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)的原因之一是為電路板創(chuàng)建一個(gè)非常穩(wěn)健的接地系統(tǒng)。由于電路板中有不同類型的電路，一個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員是否應(yīng)該為電路的數(shù)字和模擬區(qū)域使用單獨(dú)的或分離的接地層。如果模擬和數(shù)字電路彼此完全隔離，或者如果電路板產(chǎn)生高壓電流，則創(chuàng)建單獨(dú)的接地可能會(huì)有所幫助。然而，將標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)電路板的模擬地和數(shù)字地分開(kāi)比將地保持在一個(gè)平面上更有可能引入新的EMI問(wèn)題。
接地層對(duì)于為設(shè)計(jì)提供清晰的信號(hào)返回路徑是必要的。在標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，有信號(hào)在兩個(gè)電路區(qū)域之間交叉，這些交叉信號(hào)的返回路徑將被分開(kāi)的接地層中斷。單獨(dú)的接地層很可能會(huì)迫使信號(hào)通過(guò)電纜、屏蔽層或系統(tǒng)框架找到新的路徑，從而在此過(guò)程中產(chǎn)生大量額外的噪聲。為避免此類信號(hào)和電源完整性問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的最佳接地配置是使用一個(gè)完整的接地參考平面那不是分裂。借助當(dāng)今精心劃分的組件布局和數(shù)字電路的速度，只要返回路徑不被阻塞或損壞，返回路徑自然會(huì)靠近其出站信號(hào)路由。除了作為信號(hào)返回路徑的最佳配置之外，單個(gè)接地層還有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
它們保護(hù)設(shè)計(jì)的敏感電路免受傳入 EMI 的影響。
它們的屏蔽還可以防止電路板產(chǎn)生的任何內(nèi)部干擾逃逸。
與較小的平面或走線相比，大平面會(huì)產(chǎn)生較低阻抗的接地系統(tǒng)。
大型飛機(jī)還有助于散發(fā)大型處理器芯片或電源組件的熱量。
只要您提供與所有電源引腳的可靠連接，您就可以在使用電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)拆分平面。不要切斷引腳的電源，否則您可能會(huì)遇到電源完整性問(wèn)題和熱連接。確保使用短而寬的走線將電源組件連接在一起，并將這些電源組件和連接保持在電路板的一側(cè)，以最大限度地減少電感。說(shuō)到走線布線，接下來(lái)讓我們看看其他一些用于布線混合信號(hào)設(shè)計(jì)的指南。
管理設(shè)計(jì)規(guī)則和約束是混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的重要組成部分
混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的走線
仔細(xì)劃分電路板，將組件放置在最佳位置，并安裝可靠的接地系統(tǒng)，大多數(shù)走線自然會(huì)遵循正確的路徑。但是，對(duì)于混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南，有一些走線布線指南需要注意：
保持信號(hào)路徑短而直接。
遵循原理圖的信號(hào)路徑，尤其是在高速電路中。
小心創(chuàng)建帶有走線和過(guò)孔布線的天線。
電源布線應(yīng)使用短、直且寬的走線來(lái)降低電感。
確保將數(shù)字電路的布線與模擬電路隔離，反之亦然。
確保參考平面上有清晰的信號(hào)返回路徑可用于布線，尤其是那些在數(shù)字和模擬電路區(qū)域之間的走線。
混合信號(hào)設(shè)計(jì)上的走線是設(shè)置和使用設(shè)計(jì)規(guī)則和約束必不可少的一個(gè)領(lǐng)域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具為其用戶提供了完整的約束管理系統(tǒng)（如上圖所示），以設(shè)置走線布線寬度和其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。接下來(lái)，我們將了解PCB設(shè)計(jì)工具中有助于混合信號(hào)PCB布局的其他一些功能。
Cadence 的 Allegro PCB編輯器中的IR Drop 功能可以幫助您進(jìn)行PDN設(shè)計(jì)
混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)必不可少的CAD工具功能
我們已經(jīng)看到了使用約束管理器為跟蹤路由設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則的重要性。在對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行布線時(shí)，這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)布線、差分對(duì)、阻抗控制走線、不同模擬信號(hào)以及電源和接地走線所需的所有不同走線寬度都有很大幫助。但是跟蹤路由規(guī)則并不是 Cadence 的約束管理器控制的唯一規(guī)則。它還將控制組件間隙、通孔類型、測(cè)試約束，甚至是信號(hào)完整性和時(shí)序等電氣屬性。
PCB布局工具中的其他功能也可以幫助您完成工作。其中包括3D查看和檢查功能以及可在設(shè)計(jì)仍在布局時(shí)使用的大量仿真工具。在上圖中，您可以看到 IR Drop Vision 查看器，這將幫助您確保所有連接都接收到其功能所需的適當(dāng)電量。IR Drop Vision 是對(duì)混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行完整 PDN 分析的第一步，可以幫助您避免使用多個(gè)原型構(gòu)建進(jìn)行昂貴的調(diào)試和測(cè)試。
豐樂(lè)壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
一些可能是混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)一部分的布線
電子產(chǎn)品過(guò)去由多個(gè)電路板組成，每個(gè)電路板處理不同的設(shè)計(jì)功能。深入其中一個(gè)舊系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)處理器板、電源板、音頻和視頻卡，甚至是風(fēng)扇控制 PCB。隨著對(duì)更小電子產(chǎn)品、更強(qiáng)大功能的需求以及降低制造成本的需求，這些多板系統(tǒng)中的許多已被一種混合信號(hào)設(shè)計(jì)所取代。
乍一看，混合信號(hào) PCB布局與任何其他布局基本相同。必須放置零件，必須布線網(wǎng)絡(luò)，并且必須連接電源和接地層。然而，一旦你仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果你沒(méi)有準(zhǔn)備好，有一些獨(dú)特的要求可能會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。我們將在這些混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)指南中列出這些要求，以幫助您進(jìn)行下一個(gè)設(shè)計(jì)。
混合信號(hào) PCB布局中的元件布局
在準(zhǔn)備布局混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須在開(kāi)始放置元件之前制定設(shè)計(jì)的平面圖。有許多創(chuàng)建平面圖的方法，從在餐巾紙背面繪圖到使用高級(jí)CAD軟件。無(wú)論您選擇哪種方式，首先制定平面圖將幫助您劃分不同的電路區(qū)域，以便在您布置PCB時(shí)它們的信號(hào)不會(huì)混合。此步驟對(duì)于最大限度地減少電路板數(shù)字和模擬部分之間的串?dāng)_和 EMI 等噪聲問(wèn)題非常重要，并且通常可以提高設(shè)計(jì)的整體信號(hào)完整性。
電路板的電路現(xiàn)已分區(qū)，您可以開(kāi)始放置組件。混合信號(hào)布局與任何其他PCB設(shè)計(jì)一樣，需要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則和間隙放置部件。但是，在放置部件時(shí)需要注意一些獨(dú)特的混合信號(hào)注意事項(xiàng)：
保持分區(qū)：保持敏感的數(shù)字和模擬組件以及路由彼此分開(kāi)對(duì)于創(chuàng)建最佳信號(hào)完整性至關(guān)重要。更改平面圖可能非常誘人，在大多數(shù)情況下，您將不得不進(jìn)行一些更改，但您必須使不同的電路彼此隔離。
更大的處理器和內(nèi)存組件：這些部件占用大量空間，需要大量布線，并產(chǎn)生大量熱量。它們需要更多地位于電路板的中心以進(jìn)行散熱并靠近其相關(guān)電路以獲得最佳信號(hào)完整性性能。
旁路電容器：電源完整性的需求在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中尤為重要，它可能會(huì)受到接地反彈和電源尖峰的影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個(gè)電源引腳通常都有自己的旁路電容器分配給它。這些電容必須盡可能靠近其分配的引腳放置，以便進(jìn)行短而直接的布線。
相關(guān)部件和布線：通常，原理圖中為處理器和存儲(chǔ)設(shè)備的敏感電路設(shè)置了一條信號(hào)路徑。從連接器開(kāi)始，每個(gè)部件都需要放置在處理器和內(nèi)存芯片周圍，以保留原理圖的信號(hào)路徑。
電源：每個(gè)電源的電路需要與敏感的數(shù)字和模擬電路隔離，同時(shí)靠近它們供電的設(shè)備。這些電源之間也應(yīng)該分開(kāi)，以幫助平衡電路板的熱量。電源部件需要在每個(gè)單獨(dú)的電源中盡可能靠近放置，以在設(shè)計(jì)中創(chuàng)造最佳的電源完整性。
雖然我們一直在討論混合信號(hào)設(shè)計(jì)的電氣需求，但仍需要高效地制造電路板以獲得最高良率。因此，在放置部件以實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)和電源完整性時(shí)，還必須遵循所有可制造性設(shè)計(jì) (DFM) 規(guī)則。布局的另一個(gè)關(guān)鍵方面是供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，我們將在接下來(lái)的這些混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南中探討這一點(diǎn)。
不同類型的電路現(xiàn)在通常組合在一塊電路板上
電力輸送網(wǎng)絡(luò)的混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南
專注于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)的原因之一是為電路板創(chuàng)建一個(gè)非常穩(wěn)健的接地系統(tǒng)。由于電路板中有不同類型的電路，一個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員是否應(yīng)該為電路的數(shù)字和模擬區(qū)域使用單獨(dú)的或分離的接地層。如果模擬和數(shù)字電路彼此完全隔離，或者如果電路板產(chǎn)生高壓電流，則創(chuàng)建單獨(dú)的接地可能會(huì)有所幫助。然而，將標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)電路板的模擬地和數(shù)字地分開(kāi)比將地保持在一個(gè)平面上更有可能引入新的EMI問(wèn)題。
接地層對(duì)于為設(shè)計(jì)提供清晰的信號(hào)返回路徑是必要的。在標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，有信號(hào)在兩個(gè)電路區(qū)域之間交叉，這些交叉信號(hào)的返回路徑將被分開(kāi)的接地層中斷。單獨(dú)的接地層很可能會(huì)迫使信號(hào)通過(guò)電纜、屏蔽層或系統(tǒng)框架找到新的路徑，從而在此過(guò)程中產(chǎn)生大量額外的噪聲。為避免此類信號(hào)和電源完整性問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的最佳接地配置是使用一個(gè)完整的接地參考平面那不是分裂。借助當(dāng)今精心劃分的組件布局和數(shù)字電路的速度，只要返回路徑不被阻塞或損壞，返回路徑自然會(huì)靠近其出站信號(hào)路由。除了作為信號(hào)返回路徑的最佳配置之外，單個(gè)接地層還有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
它們保護(hù)設(shè)計(jì)的敏感電路免受傳入 EMI 的影響。
它們的屏蔽還可以防止電路板產(chǎn)生的任何內(nèi)部干擾逃逸。
與較小的平面或走線相比，大平面會(huì)產(chǎn)生較低阻抗的接地系統(tǒng)。
大型飛機(jī)還有助于散發(fā)大型處理器芯片或電源組件的熱量。
只要您提供與所有電源引腳的可靠連接，您就可以在使用電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)拆分平面。不要切斷引腳的電源，否則您可能會(huì)遇到電源完整性問(wèn)題和熱連接。確保使用短而寬的走線將電源組件連接在一起，并將這些電源組件和連接保持在電路板的一側(cè)，以最大限度地減少電感。說(shuō)到走線布線，接下來(lái)讓我們看看其他一些用于布線混合信號(hào)設(shè)計(jì)的指南。
管理設(shè)計(jì)規(guī)則和約束是混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的重要組成部分
混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的走線
仔細(xì)劃分電路板，將組件放置在最佳位置，并安裝可靠的接地系統(tǒng)，大多數(shù)走線自然會(huì)遵循正確的路徑。但是，對(duì)于混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)指南，有一些走線布線指南需要注意：
保持信號(hào)路徑短而直接。
遵循原理圖的信號(hào)路徑，尤其是在高速電路中。
小心創(chuàng)建帶有走線和過(guò)孔布線的天線。
電源布線應(yīng)使用短、直且寬的走線來(lái)降低電感。
確保將數(shù)字電路的布線與模擬電路隔離，反之亦然。
確保參考平面上有清晰的信號(hào)返回路徑可用于布線，尤其是那些在數(shù)字和模擬電路區(qū)域之間的走線。
混合信號(hào)設(shè)計(jì)上的走線是設(shè)置和使用設(shè)計(jì)規(guī)則和約束必不可少的一個(gè)領(lǐng)域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具為其用戶提供了完整的約束管理系統(tǒng)（如上圖所示），以設(shè)置走線布線寬度和其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。接下來(lái)，我們將了解PCB設(shè)計(jì)工具中有助于混合信號(hào)PCB布局的其他一些功能。
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我們已經(jīng)看到了使用約束管理器為跟蹤路由設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則的重要性。在對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行布線時(shí)，這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)布線、差分對(duì)、阻抗控制走線、不同模擬信號(hào)以及電源和接地走線所需的所有不同走線寬度都有很大幫助。但是跟蹤路由規(guī)則并不是 Cadence 的約束管理器控制的唯一規(guī)則。它還將控制組件間隙、通孔類型、測(cè)試約束，甚至是信號(hào)完整性和時(shí)序等電氣屬性。
PCB布局工具中的其他功能也可以幫助您完成工作。其中包括3D查看和檢查功能以及可在設(shè)計(jì)仍在布局時(shí)使用的大量仿真工具。在上圖中，您可以看到 IR Drop Vision 查看器，這將幫助您確保所有連接都接收到其功能所需的適當(dāng)電量。IR Drop Vision 是對(duì)混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行完整 PDN 分析的第一步，可以幫助您避免使用多個(gè)原型構(gòu)建進(jìn)行昂貴的調(diào)試和測(cè)試。
豐樂(lè)壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
