作者：May Anne Porley，應(yīng)用工程師和Kevin Chesser，產(chǎn)品應(yīng)用工程師，ADI公司
摘要
本文詳細(xì)說(shuō)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。本文將涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量。本文討論的準(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。
(資料圖片僅供參考)
簡(jiǎn)介
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(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(zhēng)論的一個(gè)話題，但對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，制定一套標(biāo)準(zhǔn)化方法不一定是最簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，高質(zhì)量接地的某個(gè)單一問(wèn)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。
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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(kāi)。也就是說(shuō)，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。基本規(guī)則是通過(guò)提供最短路徑來(lái)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(guò)過(guò)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(guò)1英寸。
? 為使實(shí)施更輕松，可以利用器件GND引腳附近的過(guò)孔通過(guò)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(jiàn)圖2。
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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)。
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圖3.4層PCB示例
圖3顯示了電路板各層的視覺(jué)表示。表1詳細(xì)說(shuō)明了一個(gè)典型4層PCB的設(shè)置：
表1.典型4層PCB
