本文要點(diǎn)

使 PCB 達(dá)到最佳模擬信號(hào)性能。

模擬版圖的 PCB 放置和布線技巧。

有助于 PCB 設(shè)計(jì)的 CAD 工具。

如今，有大批員工的辦公地點(diǎn)從傳統(tǒng)辦公室轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)程居家，數(shù)字時(shí)代的發(fā)展變化不言而喻。從在線文檔共享到視頻會(huì)議，遠(yuǎn)程員工正在盡可能地利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的便利。不過(guò)，我們是數(shù)字時(shí)代的一部分也并不意味著我們生活在數(shù)字世界中。

我們的世界充滿了聲色光影，必須通過(guò)模擬電子設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和捕捉。之后，這些模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，以供計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理，然后才能以電子形式通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)分享。在 PCB 中，這種格式轉(zhuǎn)換由混合信號(hào)電路完成，而為了滿足當(dāng)今的電子需求，還有大量的前期工作需要完成。本文將介紹一些高速模擬版圖技巧，幫助我們順利完成混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)。

混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)

從我們所見(jiàn)所聞，到溫度和運(yùn)動(dòng)，不同電子設(shè)備會(huì)捕捉到無(wú)數(shù)的感官事件。這些動(dòng)作和事件都以模擬信號(hào)的形式被捕捉，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)內(nèi)的混合信號(hào)電路板中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成。

根據(jù)信號(hào)來(lái)源的大小，模擬信號(hào)也會(huì)有所不同。例如，攝像頭或麥克風(fēng)檢測(cè)到的光或聲的大小將改變所捕獲信號(hào)的振幅。然而，模擬電路的信號(hào)依賴于連續(xù)的電壓或電流，并在傳輸和接收過(guò)程中依靠精確的控制來(lái)得到正確解讀。相比之下，數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)值：開(kāi)和關(guān)。這種結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)的誤差容許幅度更大，因此設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)比設(shè)計(jì)模擬信號(hào)要更加容易。

PCB 設(shè)計(jì)師必須在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)模擬和數(shù)字電路進(jìn)行適當(dāng)分離，以防止這兩種信號(hào)產(chǎn)生相互影響。下文將探討如何通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

高速模擬版圖設(shè)計(jì)技巧：

器件放置和走線布線

模擬和數(shù)字電路最終能否成功運(yùn)行，在很大程度上取決于 PCB 設(shè)計(jì)中層堆疊的配置效果。高速信號(hào)需要相鄰層上具有參考平面，用作信號(hào)回流路徑，以減少噪聲并提高信號(hào)完整性。因此，在配置電路板層堆疊時(shí)，需要考慮到一般的放置方法，以確保在適當(dāng)?shù)膶由嫌凶銐虻目臻g進(jìn)行布線。設(shè)計(jì)師可以遵循高速模擬版圖設(shè)計(jì)技巧，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如按器件的功能和電路塊對(duì)器件進(jìn)行分組，并創(chuàng)建作為實(shí)際器件放置模板的布局規(guī)劃。布局規(guī)劃需要將數(shù)字和模擬電路在功能分區(qū)中相互隔離，而組與組之間的互連則用于直接布線。

布局規(guī)劃完成后，設(shè)計(jì)師可以直接放置器件。請(qǐng)記住，我們的目標(biāo)是使布線盡可能短而直接，所以必須相應(yīng)地調(diào)整元件的位置。這里總結(jié)了一些高速模擬版圖的設(shè)計(jì)技巧和放置注意事項(xiàng)，在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)需要格外注意：

放置元件

元件的放置要便于彼此之間直接布線。

不要將元件放置在不得不穿過(guò)模擬電路對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行布線的地方，反之亦然。

盡可能地讓元件緊湊放置，以減少模擬走線的長(zhǎng)度。

切記，要根據(jù)裝配商推薦的可制造性設(shè)計(jì) (Design for Manufacturability， DFM) 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)放置元件。

使噪聲大的元件（如 ADC）遠(yuǎn)離電路板的邊緣，更多地將其放置在中心位置。

許多 PCB 設(shè)計(jì)師使用的工作流程是先放置元件然后再布線；然而，對(duì)于模擬版圖設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，同時(shí)放置元件和布線有時(shí)會(huì)有所幫助：

走線布線

走線布線要盡可能短而直接。布線時(shí)，元件要盡量緊密放置，這將有助于減少可能的阻抗不匹配和信號(hào)反射。

在對(duì)模擬電路進(jìn)行布線時(shí)，要使用更寬的走線。

盡可能將模擬走線限制在一個(gè)板層中。過(guò)孔會(huì)產(chǎn)生電感，在各層之間用過(guò)孔過(guò)渡的次數(shù)越少越好。

布線時(shí)不要讓模擬走線穿過(guò)數(shù)字電路區(qū)域，也不要讓數(shù)字走線穿過(guò)模擬區(qū)域。

盡可能將模擬和數(shù)字布線限制在各自的電路區(qū)域內(nèi)，這將進(jìn)一步減少可能的混合信號(hào)串?dāng)_。

模擬和數(shù)字信號(hào)布線的最后一條規(guī)則是，不要讓走線穿過(guò)參考平面的隔斷區(qū)域。如果布線穿過(guò)參考平面上的這些區(qū)域，則會(huì)由于信號(hào)返回路徑不佳而容易產(chǎn)生噪聲。

模擬版圖設(shè)計(jì)中電源分配網(wǎng)絡(luò)建議

設(shè)計(jì)中的模擬和數(shù)字元件都需要獲得“干凈的”電源，但高速 PCB 經(jīng)常被電源分配網(wǎng)絡(luò)中的諸多問(wèn)題所困擾，如瞬態(tài)振鈴。要解決這種問(wèn)題，通常要在設(shè)計(jì)中添加大量的去耦電容器，并在堆疊中將接地層和電壓層相鄰放置，以便提供較高的平面間電容。此處再次提醒，如何配置板層堆疊對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。

如何在設(shè)計(jì)上布置接地平面，對(duì)電路板的運(yùn)行來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的。正如前文所述，信號(hào)不應(yīng)該在接地平面被破壞的地方布線。如上圖所示，無(wú)論是接地平面上的空隙還是密集的過(guò)孔區(qū)域，接地平面遭到破壞都可能會(huì)阻斷信號(hào)的清晰返回路徑，迫使它在返回源頭的途中四處游蕩。這種游蕩是造成設(shè)計(jì)中出現(xiàn)電磁干擾和信號(hào)完整性不佳的主要原因之一。為了避免這些問(wèn)題，需要確保信號(hào)在參考平面上有一個(gè)清晰的返回路徑，以獲得最佳的電路板性能。

Cadence Allegro PCB Editor 設(shè)計(jì)工具提供了先進(jìn)的功能，可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)信號(hào)返回路徑

在電路板上，信號(hào)回流路徑出現(xiàn)重大問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)字皇欠指罱拥仄矫妗?/strong>如果設(shè)計(jì)包括一個(gè)分割的平面，就不要讓走線布線穿過(guò)這個(gè)分割的平面。否則，信號(hào)的返回路徑將被完全切斷，造成更嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題。然而，更好的做法是完全不分割接地平面。盡管許多人認(rèn)為分割接地平面能更好地隔離電路的模擬和數(shù)字區(qū)域，但它產(chǎn)生的問(wèn)題之多也會(huì)超出預(yù)期。前文已經(jīng)提到了這不利于產(chǎn)生清晰的信號(hào)返回路徑，如果使用底盤接地，這還有可能在各部分之間引入共模電流。相反，如果有一個(gè)完整的接地平面，并將電路的模擬和數(shù)字區(qū)域分開(kāi)放置和布線，就可以為必須在各部分之間移動(dòng)的少數(shù)信號(hào)提供清晰的返回路徑。避免分割接地平面可以解決許多電磁干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“更干凈”的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟M和數(shù)字信號(hào)會(huì)自然而然地在其走線周圍形成緊密的回流路徑。

顯然，在這樣的設(shè)計(jì)中，許多細(xì)節(jié)需要在 PCB 版圖中加以管理。此時(shí)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以為設(shè)計(jì)師提供更高層次的幫助。

Cadence Allegro PCB Editor的 Constraint Manager 可用于設(shè)置布線和過(guò)孔設(shè)計(jì)規(guī)則

有助于 PCB 設(shè)計(jì)的CAD 工具

要想按照嚴(yán)格的空間寬度放置元件，并為模擬電路進(jìn)行不同走線寬度和間隔的布線，需要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。確保充分設(shè)置并使用 CAD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)控制這些約束條件。上圖是 Allegro Allegro PCB Editor中Constraint Manager（規(guī)則管理器）系統(tǒng)中的一個(gè)示例，展示了如何為單個(gè)元件或器件類和網(wǎng)絡(luò)類的器件間隙、走線寬度和間距輸入不同的值。