本文重點(diǎn)

在混合信號(hào) PCB Layout 上布線

在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中放置器件。

電源分配網(wǎng)絡(luò)的混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)要求。

以前，電子產(chǎn)品包含多個(gè)電路板，每塊電路板負(fù)責(zé)處理不同的功能。在這些舊系統(tǒng)中，可能包括處理器電路板、電源電路板、音頻和視頻卡，甚至風(fēng)扇控制的 PCB。隨著業(yè)內(nèi)開始追求更小的電子產(chǎn)品、更強(qiáng)大的功能，并希望降低制造成本，這類多電路板系統(tǒng)逐漸被混合信號(hào)設(shè)計(jì)所取代。

乍看之下，混合信號(hào) PCB Layout 與任何其他 Layout 并沒有太大不同，都需要放置器件、完成網(wǎng)絡(luò)布線以及連接電源和接地平面。但經(jīng)過仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，混合信號(hào)設(shè)計(jì)有一些獨(dú)特的要求，如果沒有做好準(zhǔn)備，可能會(huì)面臨設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。我們將在混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)指南中列出這些要求，幫助您完成下一個(gè)設(shè)計(jì)。

一些布線可能是混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)的一部分

混合信號(hào) PCB Layout中的器件擺放

在準(zhǔn)備布置混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，必須先制定布局規(guī)劃，之后再開始放置器件。創(chuàng)建布局規(guī)劃的方法有很多，從在餐巾的紙背面草擬到使用高級(jí) CAD 軟件。無論選擇哪種方式，先進(jìn)行布局規(guī)劃都有助于劃分不同的電路區(qū)域，避免它們的信號(hào)在布置 PCB 時(shí)發(fā)生混合。此步驟有助于最大限度地減少電路板數(shù)字和模擬區(qū)域部分之間的串?dāng)_和 EMI 等噪聲問題，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)整體的信號(hào)完整性。

保持分區(qū)：將敏感的數(shù)字和模擬器件與布線彼此分離，確保最佳信號(hào)完整性。有時(shí)可能需要更改布局規(guī)劃，在大多數(shù)情況下，我們不得不進(jìn)行一些調(diào)整，但又必須確保不同電路之間保持分離。

較大的處理器和內(nèi)存器件：這些器件占用較大的空間，需要大量布線，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多熱量。為了方便散熱，它們需要放置在電路板的中心位置，同時(shí)需要靠近相關(guān)電路，以獲得最佳的信號(hào)完整性。

旁路電容器：在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，電源完整性尤為重要，因?yàn)榻拥胤磸椇碗娫醇夥蹇赡軙?huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個(gè)電源引腳通常都配有自己的旁路電容器。這些電容器必須盡可能靠近指定引腳，以確保布線簡(jiǎn)短且直接。

相關(guān)器件和布線：通常情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)在原理圖中為處理器和存儲(chǔ)器設(shè)備的敏感電路設(shè)置一條信號(hào)路徑。從連接器開始，每個(gè)器件都要放在處理器和存儲(chǔ)芯片周圍，以保留原理圖的信號(hào)路徑。

電源：每個(gè)電源的電路都需要與敏感的數(shù)字和模擬電路隔離，同時(shí)靠近它們所供電的設(shè)備。這些電源之間也要保持適當(dāng)?shù)母綦x，以平衡電路板的熱量分布。每個(gè)電源的內(nèi)部器件應(yīng)盡可能靠近彼此放置，以確保在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最佳的電源完整性。

雖然我們一直在討論混合信號(hào)設(shè)計(jì)的電氣需求，但為了獲得最高的良率，電路板仍需要高效的制造工藝。因此，在放置器件以實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)和電源完整性時(shí)，需要遵循所有可制造性設(shè)計(jì) (DFM) 規(guī)則。Layout 的另一個(gè)關(guān)鍵方面是電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，我們將在接下來的混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)指南中探討這一點(diǎn)。

現(xiàn)在，不同類型的電路通常集成在同一個(gè)電路板上

電源分配網(wǎng)絡(luò)的

混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)指南

之所以在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)分區(qū)，其中一個(gè)原因是要為電路板創(chuàng)建一個(gè)非常可靠的接地系統(tǒng)。因?yàn)殡娐钒迳霞闪瞬煌愋偷碾娐罚孕枰紤]一個(gè)問題：設(shè)計(jì)人員是否應(yīng)該對(duì)電路的數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域使用單獨(dú)或分開的接地平面。如果模擬電路和數(shù)字電路彼此完全隔離，或者電路板產(chǎn)生高壓電流，那么分開接地可能會(huì)有所幫助。然而，相較于在同一平面接地，將標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)電路板的模擬接地和數(shù)字接地分開往往更容易引入新的 EMI 問題。

要為設(shè)計(jì)提供清晰的信號(hào)返回路徑，接地平面起著至關(guān)重要的作用。在標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，如果信號(hào)在兩個(gè)電路區(qū)域之間交叉，這些交叉信號(hào)的返回路徑將被分離的接地平面中斷。單獨(dú)的接地平面很可能會(huì)迫使信號(hào)通過電纜、屏蔽或系統(tǒng)框架尋找新的返回路徑，從而產(chǎn)生大量額外的噪聲。為了避免此類信號(hào)和電源完整性問題，標(biāo)準(zhǔn)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的最佳接地配置是使用一個(gè)完整的接地參考平面。得益于精心設(shè)計(jì)的器件布局和當(dāng)今數(shù)字電路的速度，只要沒有被阻塞或中斷，返回路徑自然會(huì)靠近其出站信號(hào)布線。除了提供信號(hào)返回路徑的最佳配置之外，單個(gè)接地平面還有以下優(yōu)點(diǎn)：

保護(hù)設(shè)計(jì)中的敏感電路免受外部 EMI 的影響。

防止電路板產(chǎn)生的任何內(nèi)部干擾逸出。

與較小的平面或走線相比，較大的平面可以創(chuàng)建阻抗較低的接地系統(tǒng)。

大平面還有助于散發(fā)大型處理器芯片或電源器件的熱量。

只要為所有電源引腳提供穩(wěn)健的連接，即可在使用電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)分割平面。不要切斷引腳的電源，否則可能會(huì)出現(xiàn)電源完整性和熱連接問題。確保使用短而寬的走線布線將電源器件連接在一起，并將這些電源器件和連接全部放在電路板的同一側(cè)，以便最大限度地降低電感。說到走線布線，我們接下來看看混合信號(hào)設(shè)計(jì)布線的另外一些指南。

管理設(shè)計(jì)規(guī)則和約束是混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)的重要組成部分

混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的走線布線

通過仔細(xì)劃分電路板區(qū)域、將器件擺放在最佳位置以及建立穩(wěn)健的接地系統(tǒng)，大多數(shù)走線布線自然會(huì)遵循正確的路徑。但在混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)布線中，有一些走線布線指南需要特別注意：

信號(hào)路徑要簡(jiǎn)短、直接。

遵循原理圖的信號(hào)路徑，特別是在高速電路中。

創(chuàng)建天線時(shí)，要留意走線和過孔的布線。

電源布線應(yīng)使用短而直的寬走線，以降低電感。

確保數(shù)字電路的布線與模擬電路隔離，反之亦然。

確保參考平面上有可用于布線的清晰信號(hào)返回路徑，尤其是數(shù)字和模擬電路區(qū)域之間的走線。

在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，走線布線是設(shè)置和使用設(shè)計(jì)規(guī)則及約束的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PCB Layout 工具（例如 Cadence 的 Allegro X PCB Designer）可以為用戶提供一個(gè)全面的約束管理系統(tǒng)（如上圖所示），幫助用戶設(shè)置走線布線寬度和其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。接下來，我們將探討 PCB 設(shè)計(jì)工具中有助于混合信號(hào) PCB Layout 的其他功能。

Cadence 的 Allegro X PCB Designer 中的 IR Drop 功能有助于進(jìn)行電源分配網(wǎng)絡(luò) （PDN）設(shè)計(jì)

混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)必備的

CAD 工具功能

我們已經(jīng)看到了使用約束管理器來設(shè)置走線布線設(shè)計(jì)規(guī)則的重要性。在為混合信號(hào)設(shè)計(jì)布線時(shí)，這可以幫助我們針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)布線、差分對(duì)、阻抗控制走線、不同的模擬信號(hào)以及電源和接地走線使用所需的不同走線寬度。但是，走線布線規(guī)則并不是 Cadence Constraint Manager 所控制的唯一規(guī)則。它還可以控制器件間隙、過孔類型、測(cè)試約束，甚至能控制信號(hào)完整性和時(shí)序等電氣屬性。

您還可以使用 PCB Layout 工具中的其他功能，包括 3D 視圖和檢查功能以及在設(shè)計(jì) Layout 期間使用的大量仿真工具。上圖展示的是 IR Drop Vision 查看器，它可以幫助用戶確保所有連接均獲得其功能所需的適當(dāng)電源分配。IR Drop Vision 是對(duì)混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行完整 PDN 分析的第一步，利用該工具，用戶無需使用多個(gè)原型模塊進(jìn)行昂貴的調(diào)試和測(cè)試。

有關(guān) PCB 設(shè)計(jì)以及如何使用電路板 PDN 的更多信息，請(qǐng)查看 Cadence 提供的這本 PCB 電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）設(shè)計(jì)指南。