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,。

　　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。

　　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?；疽?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。

　　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),。

　　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

　　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I(mǎi)R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(lái)針對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的建議已改變。多年來(lái),，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(wèn)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(mén)用于接地平面,，以確保返回信號(hào)通過(guò)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(guò)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,。

　　圖4.采用實(shí)接地平面的系統(tǒng)的返回電流

　　圖4中的簡(jiǎn)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(shì),。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,。

　　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(jiǎn)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(guò)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(jiàn)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(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn),。星形接地中沒(méi)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(wèn)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(guò)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(jiàn)接地做法

　　可以采用下面的步驟或檢查清單來(lái)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(wú)窄走線,，這些連接是不合需要的。

　　▲提供焊盤(pán)和過(guò)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(wèn)題發(fā)生。

　　致謝

　　本文介紹的內(nèi)容是基于許多人的貢獻(xiàn)整理而成的,，包括Eric Carty、Genesis Garcia,、Giovanni Aguirri,、Brendan Somers、Stuart Servis,、Leandro Peje,、Mar Christian Lacida和Yoworex Tiu。

　　參考資料

　　Walt Kester。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊(cè),。ADI公司，2005年。

　　John Ardizzoni,。“高速印刷電路板布局實(shí)用指南”,?！赌M對(duì)話》,，第39卷第9期，2005年9月,。

　　Ralph Morrison,。接地和屏蔽技術(shù)。John Wiley & Sons, Inc.,，1998年。

　　Thomas O'Shea,。“應(yīng)用筆記AN-1349：最大程度減小ADM2582E/ADM2587E RS-485/RS-422收發(fā)器輻射的PCB實(shí)施指南”,。ADI公司,，2018年8月,。

　　“指南MT-101：去耦技術(shù)”。ADI公司,，2009年。

　　線性電路設(shè)計(jì)手冊(cè),。ADI公司,，2008年。

　　Paul Brokaw,。“應(yīng)用筆記AN-342：高速,、高精度處理模擬信號(hào)”。ADI公司,。

　　Walt Kester、James Bryant和Mike Byrne,?！爸改螹T-031：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”。ADI公司,，2009年。

　　Paul Brokaw和Jeff Barrow,?！皯?yīng)用筆記AN-345：低頻和高頻電路的接地,；了解接地和信號(hào)路徑以支持高效設(shè)計(jì),；電流沿著阻抗最小——而不僅是電阻最小——的路徑流動(dòng)”,。ADI公司,。

　　Doug Grant和Scott Wurce?！皯?yīng)用筆記AN-348：避免無(wú)源元件陷阱,；如果選錯(cuò)無(wú)源元件，再好的運(yùn)算放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器也可能會(huì)表現(xiàn)不佳,；需要注意的一些基本陷阱”,。ADI公司。

更多精彩內(nèi)容歡迎點(diǎn)擊==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<