混合信號PCB布局設計的基本準則

作者：May Anne Porley，應用工程師和Kevin Chesser，產品應用工程師
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摘要

本文詳細說明在設計混合信號PCB的布局時應考慮的內容。本文將涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量。本文討論的準則為混合信號板的布局設計提供了一種實用方法，對所有背景的工程師應當都能有所幫助。
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簡介

混合信號PCB設計要求對模擬和數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）信號干擾。構成現代系統的元件既有在數字域運行的元件，又有在模擬域運行的元件，必須精心設計以確保整個系統的信號完整性。
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作為混合信號開發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意外產生此類電容）引起的干擾。
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接地也是混合信號系統的PCB布局設計中的一個重要步驟。盡管接地是行業中經常爭論的一個話題，但對于工程師來說，制定一套標準化方法不一定是最簡單的任務。例如，高質量接地的某個單一問題可能會影響高性能混合信號PCB設計的整個布局。因此，不應忽略此方面。
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元件放置

與建造房屋類似，放置電路元件之前必須創建系統的平面規劃圖。此步驟將奠定系統設計的整體完整性，并應有助于避免高噪聲信號干擾。
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在制定平面圖時，建議遵循原理圖的信號路徑，尤其是對于高速電路。元件的位置也是設計的關鍵方面。設計人員應能識別重要的功能模塊、信號以及模塊之間的連接，從而確定各元件在系統中的最佳位置。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器件放置。
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模擬和數字模塊分離

為了盡量減少模擬和數字信號的共同返回路徑，可以考慮模擬和數字模塊分離，以使模擬信號不會與數字信號混合。
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圖1.模擬和數字電路分離

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圖1顯示了模擬和數字電路分離的一個很好的例子。分割模擬和數字部分時應注意以下事項：
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建議將敏感的模擬元件（如放大器和基準電壓源）放置在模擬平面內。類似地，高噪聲的數字元件（如邏輯控制和時序模塊）必須放在另一側/數字平面上。

如果系統包含一個具有低數字電流的混合信號模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)，則對此的處理方式可以與模擬平面中包含的模擬元件相似。

對于具有多個高電流ADC和DAC的設計，建議將模擬和數字電源分開。也就是說，AVCC必須與模擬部分綁定，而DVDD應連接到數字部分。

微處理器和微控制器可能會占用空間并產生熱量。這些器件必須放置在電路板的中心以便更好地散熱，同時應靠近與其相關的電路模塊。

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電源模塊

電源是電路的重要組成部分，應妥善處理。根據經驗，電源模塊必須與電路的其余部分隔離，同時仍應靠近其供電的元件。
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復雜系統中的器件可能有多個電源引腳，在這種情況下，模擬部分和數字部分可以分別使用專用電源模塊，以避免高噪聲數字干擾。
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另一方面，電源布線應短而直，并使用寬走線以減小電感和避免限流。
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去耦技術

電源抑制比(PSRR)是設計人員在實現系統目標性能時必須考慮的重要參數之一。PSRR衡量器件對電源變化的靈敏度，最終將決定器件的性能。
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為了保持最佳PSRR，有必要防止高頻能量進入器件。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去耦到低阻抗接地平面。
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適當去耦的目的是為電路運行創造一個低噪聲環境?；疽巹t是通過提供最短路徑來使電流輕松返回。
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設計人員務必注意關于每個器件的高頻濾波建議。更重要的是，該清單將用作指南，提供一般去耦技術及其正確的實施方案：
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電解電容充當瞬態電流的電荷儲存器，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。這些電容應通過過孔或短走線連接到低阻抗接地平面的較大區域，以最大程度地減少附加串聯電感。

較小電容（通常為0.01μF至0.1μF）應盡可能靠近器件的電源引腳放置。當器件同時有多個輸出切換時，這種布置可防止運行不穩定。電解電容（通常為10μF至100μF）距離器件的電源引腳應不超過1英寸。

為使實施更輕松，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，而不是創建走線。示例參見圖2。

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圖2.電源引腳的去耦技術

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電路板層

一旦完成元件放置和平面規劃圖，我們就可以看看電路板設計的另一個方面——通常稱之為電路板層。強烈建議先考慮電路板層，再進行PCB布線，因為這將確定系統設計的允許回流路徑。
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電路板層指電路板中銅層的垂直布置。這些層應管理整個電路板的電流和信號。
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圖3.4層PCB示例

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圖3顯示了電路板各層的視覺表示。表1詳細說明了一個典型4層PCB的設置：
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表1.典型4層PCB

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通常，高性能數據收集系統應有四層或更多層。頂層通常用于數字/模擬信號，而底層用于輔助信號。第二層（接地層）充當阻抗控制信號的參考平面，用于減少IR壓降并屏蔽頂層中的數字信號。最后，電源平面位于第三層。
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電源和接地平面必須彼此相鄰，因為它們提供了額外的平面間電容，有助于電源的高頻去耦。
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對于接地層，這些年來針對混合信號設計的建議已改變。多年來，將接地平面分為模擬和數字兩部分是有道理的，但是對于現代的混合信號器件，建議采用一種新方法。適當的平面規劃和信號分離應能防止高噪聲信號的相關問題。
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接地平面：分離還是不分離？

接地是混合信號PCB布局設計中的一個重要步驟。典型4層PCB至少須有一層專門用于接地平面，以確保返回信號通過低阻抗路徑返回。所有集成電路接地引腳應路由并直接連接到低阻抗接地平面，從而將串聯電感和電阻降至最低。
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對于混合信號系統，分離模擬和數字接地已成為一種標準接地方法。但是，具有低數字電流的混合信號器件最好通過單一接地進行管理。更進一步，設計人員必須根據混合信號電流需求考慮哪種接地做法最合適。設計人員須考慮兩種接地做法。
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單一接地平面

對于具有單個低數字電流ADC或DAC的混合信號系統，單一實接地平面會是最佳方法。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完整環路的電流。為了防止混合信號干擾，必須跟蹤整個PCB布局中的每條返回路徑。
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圖4.采用實接地平面的系統的返回電流

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圖4中的簡單電路顯示了單一實接地平面相對于分離接地平面的優勢。信號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。
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對于低頻信號，返回電流將沿著電阻最小的路徑流動，通常是器件接地基準點之間的直線。但對于較高頻率信號，返回電流的一部分會嘗試沿著信號路徑返回。這是因為沿此路徑的阻抗較低，流出和返回的電流之間形成的環路最小。
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模擬地和數字地分離

對于難以采用實接地方案的復雜系統，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：模擬接地平面和數字接地平面。這適用于具有多個混合信號器件并消耗高數字電流的更復雜系統。圖5顯示了采用分離接地平面的系統示例。
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圖5.采用分離接地平面的系統的返回電流

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對于采用分離接地平面的系統，實現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布局設計中模擬和數字接地平面連接在一起的交界處。
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在常見系統中，星形接地可以與模擬和數字接地平面之間的簡單狹窄連續交界相關。對于更復雜的設計，星形接地通常用跳線分流到接地接頭來實現。星形接地中沒有電流流動，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接地具有相同的基準電平。
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設計人員務必檢查每個器件的數據手冊中提供的接地建議，確保符合接地要求并避免與接地有關的問題。另一方面，具有AGND和DGND引腳的混合信號器件可以與各自的接地平面相連，因為星形接地也會在一點上連接兩種接地。這樣，所有高噪聲數字電流都會流過數字電源，一直流到數字接地平面，并回到數字電源，同時與敏感的模擬電路隔離。AGND和DGND平面的隔離必須在多層PCB的所有層上實現。
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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/數字系統中實施了適當的接地方案：

星形接地點的連接應由較寬的銅走線構成。

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，以便在必要時可以連接模擬和數字接地平面。

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結論

混合信號應用的PCB布局可能很有挑戰性。創建元件平面規劃圖只是起點。當努力實現混合信號系統布局的最佳性能時，正確管理電路板層和制定適當的接地方案也是系統設計人員必須考慮的關鍵點之一。制定元件平面規劃圖將有助于奠定系統設計的整體完整性。適當地組織電路板層將有助于管理整個電路板的電流和信號。最后，選擇最有利的接地方案將會改善系統性能，并防止與高噪聲信號和返回電流相關的問題發生。
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