混合信号@@PCB布局@@设计的基本准则@@

作者@@：Kevin Chesser 和@@ May Porley,ADI应用工程师@@

摘要@@

本文详细说明在设计混合信号@@@@PCB的布局@@时应考虑的内容@@。本文将涉及@@188足彩外围@@app 放置@@、电路板分层@@和@@接地平面@@方面的考量@@。本文讨论的准则为混合信号@@板的布局@@设计提供了一种实用方法@@，对所有背景的工程师应当都能有所帮助@@。

简介@@

混合信号@@PCB设计要求对模拟和@@数字电路有基本的了解@@，以最大程度地减少@@（如果不能防止的话@@）信号干扰@@。构成现代系统的@@188足彩外围@@app 既有在数字域运行的@@188足彩外围@@app ，又有在模拟域运行的@@188足彩外围@@app ，必须精心设计以确保整个系统的信号完整性@@。

作为混合信号@@开发过程的重要组成部分@@，PCB布局@@可能令人生畏@@，而@@188足彩外围@@app 放置@@仅仅是开始@@。还有其他因素必须考虑@@，包括电路板各层@@以及如何适当管理这些层@@@@，以最大程度地减少@@寄生电容@@ （PCB的平面间层@@之间可能会意外产生此类电容@@）引起的干扰@@。

接地也是混合信号@@系统的@@PCB布局@@设计中的一个重要步骤@@。尽管接地是行业中经常争论的一个话题@@，但对于工程师来说@@，制定@@一套标准化方法不一定是最简单的任务@@。例如@@，高质量接地的某个单一问题可能会影响高性能混合信号@@@@PCB设计的整个布局@@@@。因此@@，不应忽略此方面@@。

188足彩外围@@app 放置@@

与建造房屋类似@@，放置@@电路@@188足彩外围@@app 之前必须创建@@系统的平面规划图@@@@。此步骤将奠定系统设计的整体完整性@@，并应有助于避免高噪声信号干扰@@@@。

在制定@@平面图@@时@@，建议遵循原理图@@的信号路径@@，尤其是对于高速电路@@。188足彩外围@@app 的位置也是设计的关键方面@@。设计人员应能识别重要的功能模块@@、信号以及模块之间的连接@@，从而@@确定各@@188足彩外围@@app 在系统中的最佳位置@@。例如@@，连接器最好放置@@在板的边缘@@，而@@辅助@@188足彩外围@@app （如去耦电容和@@晶振@@）必须尽可能靠近混合信号@@器件放置@@@@。

模拟和@@数字模块分离@@

为了尽量减少模拟和@@数字信号的共同返回路径@@，可以考虑模拟和@@数字模块分离@@@@，以使模拟信号@@不会与数字信号混合@@。

图@@1显示了模拟和@@数字电路分离@@的一个很好的例子@@。分割模拟和@@数字部分时应注意以下事项@@：

• 建议将敏感的模拟@@188足彩外围@@app （如放大器和@@基准电压源@@）放置@@在模拟平面内@@。类似地@@，高噪声的数字@@188足彩外围@@app （如逻辑控制和@@时序模块@@）必须放在另一侧@@/数字平面上@@。

• 如果系统包含一个具有@@低数字电流的混合信号@@模数转换器@@(ADC)或@@数模转换器@@(DAC)，则对此的处理方式可以与模拟平面中包含的模拟@@188足彩外围@@app 相似@@。

• 对于具有@@多个高电流@@ADC和@@DAC的设计@@，建议将模拟和@@数字电源分开@@。也就是说@@， AVCC 必须与模拟部分绑定@@，而@@DVDD应连接到数字部分@@。

• 微处理器和@@微控制器可能会占用空间@@并产生热量@@。这些器件必须放置@@在电路板的中心以便更好地散热@@，同时应靠近与其相关的电路模块@@。

电源模块@@

电源是电路的重要组成部分@@，应妥善处理@@。根据经验@@，电源模块@@必须与电路的其余部分隔离@@，同时仍应靠近其供电的@@188足彩外围@@app 。

复杂系统中的器件可能有多个电源引脚@@，在这种情况下@@，模拟部分和@@数字部分可以分别使用专用电源模块@@@@，以避免高噪声数字干扰@@。

另一方面@@，电源布线@@应短而@@直@@，并使用宽走线以减小电感和@@避免限流@@。

去耦技术@@@@

电源抑制比@@(PSRR)是设计人员在实现系统目标性能时必须考虑的重要参数之一@@。PSRR衡量器件对电源变化的灵敏度@@，最终将决定器件的性能@@。

为了保持最佳@@PSRR，有必要防止高频能量进入器件@@。为此@@，可以利用电解电容@@和@@陶瓷电容的组合将器件电源适当去耦到低阻抗接地平面@@@@。

适当去耦的目的是为电路运行创造一个低噪声环境@@。基本规则是通过提供最短路径来使电流轻松返回@@。

设计人员务必注意关于每个器件的高频滤波建议@@。更重要的是@@，该清单将用作指南@@，提供一般去耦技术@@@@及其正确的实施方案@@：

• 电解电容@@充当瞬态电流的电荷储存器@@，以最大程度地降低电源上的低频噪声@@，而@@低电感陶瓷电容用于降低高频噪声@@。另外@@，铁氧体磁珠是可选的@@，但会增加高频噪声隔离和@@去耦@@。

• 去耦电容必须尽可能靠近器件的电源引脚放置@@@@。这些电容应通过过孔或@@短走线连接到低阻抗接地平面@@的较大区域@@，以最大程度地减少@@附加串联电感@@。

• 较小电容@@（通常@@为@@0.01μF至@@0.1μF）应尽可能靠近器件的电源引脚放置@@@@。当器件同时有多个输出切换时@@，这种布置可防止运行不稳定@@。电解电容@@（通常@@为@@10μF至@@100μF）距离器件的电源@@ 引脚应不超过@@1英寸@@。

• 为使实施更轻松@@，可以利用器件@@GND引脚附近的过孔通过@@T型连接将去耦电容连接到接地平面@@@@，而@@不是创建@@走线@@。示例@@参见图@@@@2。

电路板层@@@@

一旦完成@@188足彩外围@@app 放置@@和@@平面规划图@@@@，我们就可以看看电路板设计的另一个方面@@——通常@@称之为电路板层@@@@@@。强烈建议先考虑电路板层@@@@@@，再进行@@PCB布线@@，因为这将确定系统设计的允许回流路径@@。

电路板层@@@@指电路板中铜层@@的垂直布置@@。这些层@@应管理整个电路板的电流和@@信号@@。

图@@3显示了电路板各层@@的视觉表@@示@@。表@@1详细说明了一个典型@@@@4层@@PCB的设置@@：

表@@1. 典型@@4层@@PCB

通常@@，高性能数据收集系统应有四层@@或@@更多层@@@@。顶层@@通常@@用于数字@@/模拟信号@@，而@@底层@@用于辅助信号@@。第二层@@@@（接地层@@@@）充当阻抗控制信号的参考平面@@，用于减少@@IR压降并屏蔽顶层@@中的数字信号@@。最后@@，电源平面位于第三层@@@@。

电源和@@接地平面@@必须彼此相邻@@，因为它们提供了额外的平面间电容@@，有助于电源的高频去耦@@。

对于接地层@@@@@@，这些年来针对混合信号@@设计的建议已改变@@。多年来@@，将接地平面@@分为模拟和@@数字两部分是有道理的@@，但是@@对于现代的混合信号@@器件@@，建议采用一种新方法@@。适当的平面规划和@@信号分离应能防止高噪声信号的相关问题@@。

接地平面@@：分离还是不分离@@？

接地是混合信号@@@@PCB布局@@设计中的一个重要步骤@@。典型@@4层@@PCB至@@少须有一层@@专门用于接地平面@@@@，以确保返回信号通过低阻抗路径返回@@。所有集成电路接地引脚应路由并直接连接到低阻抗接地平面@@@@，从而@@将串联电感和@@电阻降至@@最低@@。

对于混合信号@@系统@@，分离模拟和@@数字接地已成为一种标准接地方法@@。但是@@，具有@@低数字电流的混合信号@@器件最好通过单一接地进行管理@@。更进一步@@，设计人员必须根据混合信号@@电流需求考虑哪种接地做法最合适@@。设计人员须考虑两种接地做法@@。

单一接地平面@@@@

对于具有@@单个低数字电流@@ADC或@@DAC的混合信号@@系统@@，单一实接地平面@@会是最佳方法@@。要理解单一接地层@@@@的重要性@@，我们需要回顾返回电流@@。返回电流是指返回接地以及器件之间的走线以形成一个完整环路的电流@@。为了防止混合信号@@干扰@@@@，必须跟踪整个@@PCB布局@@中的每条返回路径@@。

图@@4中的简单电路显示了单一实接地平面@@相对于分离接地平面@@的优势@@。信号电流具有@@大小相等但方向相反的返回电流@@。该返回电流在接地平面@@中流回源@@，它将沿着阻抗最小的路径流动@@。

对于低频信号@@，返回电流将沿着电阻最小的路径流动@@，通常@@是器件接地基准点之间的直线@@。但对于较高频率信号@@，返回电流的一部分会尝试沿着信号路径返回@@。这是因为沿此路径的阻抗较低@@，流出和@@返回的电流之间形成的环路最小@@。

模拟地和@@数字地分离@@

对于难以采用实接地方案的复杂系统@@，分离接地可能更合适@@。分离接地平面@@是另一种常用方法@@，接地平面@@一分为二@@：模拟接地平面@@和@@数字接地平面@@@@。这适用于具有@@多个混合信号@@器件并消耗高数字电流的更复杂系统@@。图@@5显示了采用分离接地平面@@的系统示例@@@@。

对于采用分离接地平面@@的系统@@，实现整体接地的最简单解决方案是消除接地平面@@的中断@@，并允许返回电流采取更直接的路线@@，通过星形接地交界处流回@@。星形接地是混合信号@@@@布局@@设计中模拟和@@数字接地平面@@连接在一起的交界处@@。

在常见系统中@@，星形接地可以与模拟和@@数字接地平面@@之间的简单狭窄连续交界相关@@。对于更复杂的设计@@@@，星形接地通常@@用跳线分流到接地接头来实现@@。星形接地中没有电流流动@@，因此@@不需要承载高电流的接头和@@跳线分流器@@。星形接地的主要作用是确保两个接地具有@@相同的基准电平@@。

设计人员务必检查每个器件的数据手册中提供的接地建议@@，确保符合接地要求并避免与接地有关的问题@@。另一方面@@，具有@@AGND和@@DGND引脚的混合信号@@器件可以与各自的接地平面@@相连因为星形接地也会在一点上连接两种接地@@。这样@@，所有高噪声数字电流都会流过数字电源@@，一直流到数字接地平面@@@@，并回到数字电源@@，同时与敏感的模拟电路隔离@@。AGND和@@DGND平面的隔离必须在多层@@@@PCB的所有层@@上实现@@。

其他常见接地做法@@

可以采用下面的步骤或@@检查清单来确保在混合信号@@@@/数字系统中实施了适当的接地方案@@：

• 星形接地点的连接应由较宽的铜走线构成@@。

• 检查接地平面@@有无窄走线@@，这些连接是不合需要的@@。

• 提供焊盘和@@过孔很有用@@，以便在必要时可以连接模拟和@@数字接地平面@@@@。

结论@@

混合信号@@应用的@@PCB布局@@可能很有挑战性@@。创建@@188足彩外围@@app 平面规划图@@只是起点@@。当努力实现混合信号@@系统布局@@的最佳性能时@@，正确管理电路板层@@@@和@@制定@@适当的接地方案也是系统设计人员必须考虑的关键点之一@@。制定@@188足彩外围@@app 平面规划图@@将有助于奠定系统设计的整体完整性@@。适当地组织电路板层@@@@将有助于管理整个电路板的电流和@@信号@@。最后@@，选择最有利的接地方案将会改善系统性能@@，并防止与高噪声信号和@@返回电流相关的问题发生@@。