技术资讯 | 电路板 Layout 的混合信号 PCB 设计指南

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本文重点
在混合信号 PCB layout 上布线
在混合信号设计中放置器件。
电源分配网络的混合信号 PCB 设计要求。




以前，电子产品包含多个电路板，每块电路板负责处理不同的功能。在这些旧系统中，可能包括处理器电路板、电源电路板、音频和视频卡，甚至风扇控制的 PCB。随着业内开始追求更小的电子产品、更强大的功能，并希望降低制造成本，这类多电路板系统逐渐被混合信号设计所取代。

乍看之下，混合信号 PCB Layout 与任何其他 Layout 并没有太大不同，都需要放置器件、完成网络布线以及连接电源和接地平面。但经过仔细观察就会发现，混合信号设计有一些独特的要求，如果没有做好准备，可能会面临设计上的挑战。我们将在混合信号 PCB 设计指南中列出这些要求，帮助您完成下一个设计。


一些布线可能是混合信号 PCB 设计的一部分

混合信号 PCB Layout 中的器件摆放

在准备布置混合信号 PCB 设计时，必须先制定布局规划，之后再开始放置器件。创建布局规划的方法有很多，从在餐巾的纸背面草拟到使用高级 CAD 软件。无论选择哪种方式，先进行布局规划都有助于划分不同的电路区域，避免它们的信号在布置 PCB 时发生混合。此步骤有助于最大限度地减少电路板数字和模拟区域部分之间的串扰和 EMI 等噪声问题，进而提高设计整体的信号完整性。

保持分区：将敏感的数字和模拟器件与布线彼此分离，确保最佳信号完整性。有时可能需要更改布局规划，在大多数情况下，我们不得不进行一些调整，但又必须确保不同电路之间保持分离。
较大的处理器和内存器件：这些器件占用较大的空间，需要大量布线，同时会产生很多热量。为了方便散热，它们需要放置在电路板的中心位置，同时需要靠近相关电路，以获得最佳的信号完整性。
旁路电容器：在混合信号设计中，电源完整性尤为重要，因为接地反弹和电源尖峰可能会对设计造成影响。为了抵消这些影响，处理器上的每个电源引脚通常都配有自己的旁路电容器。这些电容器必须尽可能靠近指定引脚，以确保布线简短且直接。
相关器件和布线：通常情况下，设计人员会在原理图中为处理器和存储器设备的敏感电路设置一条信号路径。从连接器开始，每个器件都要放在处理器和存储芯片周围，以保留原理图的信号路径。
电源：每个电源的电路都需要与敏感的数字和模拟电路隔离，同时靠近它们所供电的设备。这些电源之间也要保持适当的隔离，以平衡电路板的热量分布。每个电源的内部器件应尽可能靠近彼此放置，以确保在设计中实现最佳的电源完整性。
虽然我们一直在讨论混合信号设计的电气需求，但为了获得最高的良率，电路板仍需要高效的制造工艺。因此，在放置器件以实现最佳信号和电源完整性时，需要遵循所有可制造性设计 (DFM) 规则。Layout 的另一个关键方面是电源分配网络的设计，我们将在接下来的混合信号 PCB 设计指南中探讨这一点。


现在，不同类型的电路通常集成在同一个电路板上

电源分配网络的
混合信号 PCB 设计指南

之所以在设计时要重点关注设计分区，其中一个原因是要为电路板创建一个非常可靠的接地系统。因为电路板上集成了不同类型的电路，所以需要考虑一个问题：设计人员是否应该对电路的数字区域和模拟区域使用单独或分开的接地平面。如果模拟电路和数字电路彼此完全隔离，或者电路板产生高压电流，那么分开接地可能会有所帮助。然而，相较于在同一平面接地，将标准混合信号电路板的模拟接地和数字接地分开往往更容易引入新的 EMI 问题。

要为设计提供清晰的信号返回路径，接地平面起着至关重要的作用。在标准混合信号设计中，如果信号在两个电路区域之间交叉，这些交叉信号的返回路径将被分离的接地平面中断。单独的接地平面很可能会迫使信号通过电缆、屏蔽或系统框架寻找新的返回路径，从而产生大量额外的噪声。为了避免此类信号和电源完整性问题，标准混合信号设计的最佳接地配置是使用一个完整的接地参考平面。得益于精心设计的器件布局和当今数字电路的速度，只要没有被阻塞或中断，返回路径自然会靠近其出站信号布线。除了提供信号返回路径的最佳配置之外，单个接地平面还有以下优点：

保护设计中的敏感电路免受外部 EMI 的影响。
防止电路板产生的任何内部干扰逸出。
与较小的平面或走线相比，较大的平面可以创建阻抗较低的接地系统。
大平面还有助于散发大型处理器芯片或电源器件的热量。
只要为所有电源引脚提供稳健的连接，即可在使用电源网络时分割平面。不要切断引脚的电源，否则可能会出现电源完整性和热连接问题。确保使用短而宽的走线布线将电源器件连接在一起，并将这些电源器件和连接全部放在电路板的同一侧，以便最大限度地降低电感。说到走线布线，我们接下来看看混合信号设计布线的另外一些指南。


管理设计规则和约束是混合信号 PCB 设计的重要组成部分

混合信号设计中的走线布线

通过仔细划分电路板区域、将器件摆放在最佳位置以及建立稳健的接地系统，大多数走线布线自然会遵循正确的路径。但在混合信号 PCB 设计布线中，有一些走线布线指南需要特别注意：

信号路径要简短、直接。
遵循原理图的信号路径，特别是在高速电路中。
创建天线时，要留意走线和过孔的布线。
电源布线应使用短而直的宽走线，以降低电感。
确保数字电路的布线与模拟电路隔离，反之亦然。
确保参考平面上有可用于布线的清晰信号返回路径，尤其是数字和模拟电路区域之间的走线。
在混合信号设计中，走线布线是设置和使用设计规则及约束的关键环节。PCB Layout 工具（例如 Cadence 的 allegro X PCB Designer）可以为用户提供一个全面的约束管理系统（如上图所示），帮助用户设置走线布线宽度和其他关键设计规则。接下来，我们将探讨 PCB 设计工具中有助于混合信号 PCB Layout 的其他功能。


Cadence 的 Allegro X PCB Designer 中的 IR Drop 功能有助于进行电源分配网络 （PDN）设计

混合信号 PCB 设计必备的
CAD 工具功能

我们已经看到了使用约束管理器来设置走线布线设计规则的重要性。在为混合信号设计布线时，这可以帮助我们针对标准布线、差分对、阻抗控制走线、不同的模拟信号以及电源和接地走线使用所需的不同走线宽度。但是，走线布线规则并不是 Cadence Constraint Manager 所控制的唯一规则。它还可以控制器件间隙、过孔类型、测试约束，甚至能控制信号完整性和时序等电气属性。

您还可以使用 PCB Layout 工具中的其他功能，包括 3D 视图和检查功能以及在设计 Layout 期间使用的大量仿真工具。上图展示的是 IR Drop Vision 查看器，它可以帮助用户确保所有连接均获得其功能所需的适当电源分配。IR Drop Vision 是对混合信号 PCB 设计进行完整 PDN 分析的第一步，利用该工具，用户无需使用多个原型模块进行昂贵的调试和测试。

有关 PCB 设计以及如何使用电路板 PDN 的更多信息，请查看 Cadence 提供的这本 PCB 电源分配网络（PDN）设计指南。



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原文由Cadence楷登PCB及封装资源中心整理撰写。
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