技术资讯 | 新一代器件的混合信号设计

关键要点：

•如何为混合信号设计布局电路板

•关于限制电磁干扰（EMI）的讨论

•了解可靠信号的地面和参考平面设置

现在几乎在每一个新的电子设备上都能发现混合信号，拥有强大的基础对于下一代设备的开发至关重要。

过去，电子产品通常由不同的单独电路板组成，每个电路板都有自己的特定功能。然而，随着设备的进一步最小化和功能的增加，这些过去的多板设计正逐渐被包含模拟和数字信息的单板（也称为混合信号板）所淘汰。现代电子技术现在比以往任何时候都更能记录和数字化现实世界的不同元素；从温度到运动等等。这些不同的元件被捕获为模拟信号，这些模拟信号必须被处理并通过模数转换器转换为数字信号，以便与计算机和服务器接口。混合信号板在确保这些模拟信号的完整性而不在包含数字信号的板上引入显著噪声方面面临着独特的挑战——这是混合信号设计的关键。让我们深入研究这种类型的设计，看看如何处理敏感的模拟电路、布线、电源传输和EMI屏蔽。
混合信号设计：基础

电路板中有很多信号是混合的。使用高级CAD程序将有助于在布局时保持有序。

我们将要讨论的许多混合信号设计技巧分为两类：第一类是减少电磁干扰等噪声，第二类是使设计尽可能不受现有噪声的影响。在布线铜线之前，为混合信号设计制定一个强有力的平面布置图是很重要的。一个好的平面布置图将有助于元件的放置和布线。这样做可以确保提供不同功能的电路的每个块在板上都有自己的包含区域。为此，将类似用途的模拟组件相互组合在一起，并对数字组件进行相同操作。最重要的是，将模拟和数字部分彼此分离。数字部分离模拟部分越远越好。分离可以包括使用双面板的顶部和底部或单板的左侧和右侧——只要它们之间有足够的空间。一般来说，模拟信号是您需要采取大多数预防措施的地方。这些信号存在于一个连续的范围内，而数字信号是二进制的——理论上，与模拟信号相比，这允许更大的误差幅度。

需要遵循可制造性设计（DFM）规则来放置零件以获得最佳的信号和功率完整性。这将有助于确保您的电路板的生产效率最高。

混合信号组件的放置和布局

设置一个好的叠层可以帮助消除板上的EMI。

一旦您的平面布置图被布置好，组件放置是良好的混合信号设计的下一步。如前所述，保持模拟电路和数字电路之间的分区将有助于减少串扰和EMI，同时提高模拟信号的完整性。
以重型电路为中心对于产生大量热量的重型数字电路，如大型处理器和内存组件，请将它们集中在电路板上，以获得更好的散热效果。由于它们有很多连接它们的路由，因此将组件居中将使它们更容易访问。其他数字部件，如ADC，应靠近并以类似方式居中。
设置旁路电容器一旦你放置了所有的主要和大型组件，设置你的旁路电容器。将这些电容器放置在尽可能靠近数字电路的位置。在地面反弹或电源尖峰的情况下，它们可以帮助您的设备保持可靠的电源。
允许直接路由最后，根据经验，放置零件，以便在它们之间进行最直接的布线。避免造成需要在数字电路之间路由模拟电路的情况，反之亦然。这将进一步有助于减少噪音，并允许更短的轨迹，我们将在后面的章节中深入研究。
物理属性

板的成功取决于层堆叠的配置方式，特别是电源和地平面。在布线之前，请将图层设置为易于访问。具体而言，在需要较短信号返回路径的组件的相邻层上设置参考平面。这将有助于最小化噪声并提高信号完整性。在配置层堆叠时，请记住您的平面布置图，以确保您有适当的空间沿线路布线。叠层配置在限制EMI方面也是必不可少的。尽管减少层数可以节省制造成本，但它可能会产生整体信号完整性受损的最终结果。高速信号、敏感信号和噪声电源电路应相互隔离。一个好的解决方案是为叠层创建额外的层，并为接地平面提供足够的层来屏蔽这些信号免受EMI的影响。

布线指南

保持轨迹的宽和短是布局混合信号设计的主要关键。

一旦你在电路板上布置好你的组件，并有一个良好的接地系统，大多数跟踪路由就会自然到位。一般来说，路由的两个基本规则是：

1. 保持信号路径短而直接。

2. 使数字电路的迹线远离模拟电路。

关于信号路径长度，这应该适用于您的所有电路块。电源的痕迹应该特别短，并且尽可能宽，以减少电感。确保从参考平面有一个短的信号返回路径，以减少漂移。尽量减少过渡层，这样可以增加长度对于高速电路，请尽可能靠近示意图中的信号路径。在布线走线和过孔时，也有可能创建天线，所以要集中精力减少环路大小。用重要的过孔布线模拟走线也会产生电感，因此也可以出于这个原因尽量减少层过渡。保护您的模拟信号对设备的可靠性至关重要。叠层中的金属平面可以提供良好的屏蔽。因此，在带状线配置中在两个平面层之间路由敏感信号是良好的实践。如果没有足够的空间来扩大间距，请使用保护走线来防止两个平行模拟走线之间的串扰。这也可以作为模拟和数字走线之间的屏蔽。最后，可以用过孔形成电路的功能分区之间的屏蔽边界或围栏。过孔围栏既有效又易于放置，但请注意，它们会占用大量的板空间。使用先进的PCB软件确实可以帮助进行这样的设计。将组件紧密地放置在具有各种走线宽度的特定间距宽度需要详细的数据库管理。

混合信号板的供电拥有可靠的电源是强大电路性能不可或缺的一部分，尤其是对于混合信号设计。放置每个电源的电路，使其与敏感的模拟和数字电路隔离，同时也靠近组件本身。高速PCB由于其功率传输网络（PDN）而经常遭受各种问题，例如瞬态振铃。为了解决这个问题，在电源附近的设计中包括去耦电容器，并在堆叠中放置彼此相邻的接地层和电压层，以提供高的晶面电容。

 此图像显示了一个接地平面，该接地平面的中心有一个用于过孔的大间隙。接地平面上的这个大间隙大大扩展了返回信号路径，在电路中产生了各种不稳定性。

返回路径的布局对电路板的运作也至关重要。信号不应穿过地平面断裂的区域（见上图）。具有许多过孔的平面或截面中的间隙可能会阻塞信号的返回路径。这可能导致返回信号在返回源之前漂移，这是EMI和信号完整性降低的主要原因。确保信号返回路径尽可能短，以获得最佳板性能。
屏蔽电路板免受EMI干扰

安装在板上的大型EMI屏蔽的几个示例。

信号可能会受到各种问题的影响，包括接地反弹、串扰、电源噪声，尤其是电磁干扰（EMI）。EMI可以完全改变正常工作的电路板的功能。如果EMI处理不当，可能会出现以下任何问题：

•通信中断

•干扰无线设备

•传感器数据损坏

•组件故障

•软件错误或故障

处理现有EMI的最佳方法是使用金属屏蔽。通过从上面和四个侧面用金属覆盖电路板的关键区域，使其不那么容易受到影响，在下面一层接地平面形成法拉第笼。这具有屏蔽大量不需要的EMI的能力。然而，屏蔽可能是有代价的：请注意，EMI屏蔽不是平的，需要允许访问其下面的组件。此外，热量可能会被困在这些防护罩下，除非它们被穿孔。理想情况下，使用这些屏蔽可以屏蔽所有传入的EMI。然而，在现实中，需要有用于热冷却的开口、板上的焊点，以及足够的空间进行潜在的小调整。PCB屏蔽的常见材料包括镀锡轧钢、时间镀铜、不锈钢等。

另一种进一步屏蔽的最后方法是使用差分对，其作用就像电话电缆中的双绞线。这样，它们可以比单端传输线更好地抑制共模噪声。

减少噪声源

噪音可能来自多种来源。最值得注意的是，来自振荡器（晶体）或时钟线以及大型电感器和电源周围产生的电磁场。任何类型的大电压波动都可能产生问题，除非拉电流的设备包含必要的电容器、铁氧体磁珠、二极管和终端电阻器，并且布线保持在最小长度。该长度是从电源经过负载，然后返回接地平面的路径。一般来说，较小的环路长度将产生较少的噪声，从而产生较少的EMI。RF能量可以被附近的金属物体（例如印刷天线）吸收。因此，在天线周围放置接地过孔可能有助于减少不必要的干扰。为了进一步降低EMI，将天线印刷在外层上，其正下方的下层不含铜。最后一点：来自电路一部分或另一个设备的干扰可能会以不可预测的方式与现有的铜回路耦合。换句话说，任何传导回路都可能成为不需要的天线。

地面和参照平面提示

 印刷电路板上分割平面的示例

有了所有敏感的电子设备，拥有一个精心设计的接地平面是至关重要的。为了使它们尽可能可靠，不要穿过带有走线的平面的阻塞区域，因为穿过它们的布线可能会降低返回路径，从而产生噪声。理论上，分离平面可以在电路的模拟和数字区域之间创建更好的隔离。然而，在实践中，在参考平面中使用分裂平面、切口或孔可能会导致EMI，并为信号返回路径造成进一步的障碍。如果可能，请避免使用拆分平面。在非情况下，分离平面对混合信号设计至关重要，确保两个平面在一个点上相互连接，因为多个连接点可以创建用于辐射EMI的天线环路。当使用完整的接地平面，模拟和数字部分分别布线时，可以产生清晰的返回路径，从而减少总体EMI，而不是分裂平面。

结论

SPEED2000是用于分析和设计高速PCB的通用时域工具。软件采用FDTD仿真技术进行多层电源地间的三维电磁场仿真。SPEED2000真实地再现实际系统中的电源地网络，考虑封装和印刷电路板中的各种电磁效应，包括电源地之间的波动（同步开关噪声），过孔和走线之间的耦合，以及电路和封装间的交互作用。