数模混合PCB布局设计

我应该 · 发表于 2018-2-23 14:24:31

一、数模混合设计的基本概念理解

很多产品都包含数模混合的 PCB 设计，不同的信号具有不同的抗干扰能力。在互连设计过程中必须对不同信号之间的串扰进行合理的控制才能保证最终产品的指标要求。
对于以下基本概念的理解非常重要，掌握有关数模混合设计的基本概念，有助于理解后面制定得很严格的布局和布线设计规则，从而在终端产品数模混合的设计时，不会轻易打折执行其中的重要约束规则。并且有助于灵活有效地处理数模混合设计方面可能遇到的串扰问题。

1. 模拟信号与数字信号在抗干扰能力方面的重要区别
数字信号电平有较强的抗干扰能力，而模拟信号的抗干扰能力很差。
举个例子，3V 电平的数字信号，即使接收到 0.3V 的串扰信号，也可以容忍，不会对逻辑状态产生影响。但在模拟信号领域，有些信号极微弱，例如 GSM 手机的接收灵敏度能够做到-110dBm 的指标，仅相当于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 数量级的带内干扰噪声，也足以使基站接收灵敏度大幅度劣化。这种轻微干扰可能来自数字控制信号线或电源地线上的细小的噪声。
牋牋从系统的观点来看，数字信号一般只在板上或框内传送。比如内存总线信号、电源控制信号等，只要保证从发送端到接收端接收到的干扰不足以影响逻辑状态的判别即可。而模拟信号需要经过调制、变频、放大、发射、空间传播、接收、解调等一系列过程才能被回复。在此过程之中噪声不断地跌价到信号上，从系统的角度来讲必须保证最终的信噪比满足要求才能正确解调。最大的干扰来自空间传播的衰减和噪声，为了达到更好的通讯性能，必须尽可能减小板内互连引入的串扰。
因此可以认为，模拟信号对串扰的要求比数字信号高几十倍，甚至有可能达到几万倍。

2. 高精度 ADC、DAC 电路
牋牋理想情况下，线性 ADC、DAC 电路信噪比与转换位数间的关系是：
牋牋SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3×2n)]=6.02n+1.76 dB
牋牋对于 14 位的线性 ADC、DAC，如果使最低位数据（LSB）有效，可计算出的理论上的信噪比为 86dBc，与数字电路约 20dBc 的串扰要求相比，高精度 14 位线性 ADC、DAC 对噪声的要求至少比数字信号高 1000 倍。当然，如果最低有效位数只需要 11 位，串扰要求就可以适当放低，但仍然比数字信号的要求高很多。
牋牋上面的两种情况，说明数模混合单板中，模拟电路极易受到干扰，会影响信噪比等指标。所以在数模混合单板 PCB 设计过程中，要对布局布线提出很高的要求。

3. 数字信号对于模拟信号是强干扰源
牋牋数字信号的电平相对于模拟信号来讲非常高，并且数字信号包含有丰富的谐波频率，因此数字信号对于模拟信号而言，本身就是很强的干扰源。特别是大电流的时钟信号、开关电源等更是在数模混合设计中需要关注的强干扰源。
4. 数模混合互连设计的根本目的
我们可以这样来理解数模设计问题，对于数字电路我们遵循数字电路的设计规则，在数字电路区域，可以允许较大的干扰存在，只要不影响系统功能实现和对外 emc 指标即可。
我们这里所讲的“较大”是相对于模拟电路而言的。对于数字电路，我们没有必要也不可能象对待模拟电路一样地控制串扰的存在。对于模拟电路，我们必须遵循模拟电路的设计规则，在模拟电路区域所允许存在的干扰远远小于数字电路区域。
数模混合互连设计的目的就是要通过合理的布局、布线、屏蔽、滤波、电源地分割等设计方法来保证数字信号的干扰只存在于数字信号区域。

我们需要重点关注的内容包括干扰源、敏感电路、干扰途径。下面将从这 3 个方面来讲述采用的布局布线原则。成功的数模混合单板设计必须仔细注意整个过程中每个步骤及每个细节才有可能实现，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的工作进展进行全面持续地评估。对于布局和布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布局布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。
规则是死的，透过规则深刻理解原则才能保证我们能正确运用规则，完成优秀的设计。
二、电路种类区分
在讲解数模混合设计布局规则之前，现对终端板上的干扰源、敏感电路做以及干扰途径一个区分，了解这些干扰源和敏感电路能够帮助我们正确制定布局和布线方案，另外对干扰途径的理解至关重要。
1. 模拟电路
对于终端产品，模拟电路包括所有射频电路、射频电源、射频控制电路、数模转换电路、音频电路。所用以上模拟电路都是敏感电路，其中特别需要关注的敏感电路包括频终电路（包括本振信号、频综电路的电源以及控制信号）、接收前端电路、音频电路。
2. 干扰源
干扰源包括所有数字电路、大功率射频电路（功放、天线和其他大功率射频电路）。其中特别需要关注的干扰源包括时钟电路、开关电源、大电流的电源线、功放电路、天线电路。对于功放、天线等射频信号的干扰在本规范射频设计部分分析。
3. 干扰途径
对于数模混合设计需要关注的干扰途径包括：空间辐射、电源地（平面或走线）、数模转换电路、模拟电路的各种控制信号。
（1）空间辐射：相互靠近的电路之间会通过辐射产生串扰，这与数字信号串扰的概念是相同的，但需要注意的是，模拟信号能够容忍的串扰要远远小于数字信号，因此有必要在布局阶段就对串扰进行控制。减小空间辐射的方式一般是拉远布局的距离合使用屏蔽盒。
（2）电源地：电源地是数字与模拟电路公共的回路，因此干扰干扰信号可能通过电源地导体传导到敏感电路。控制电源地串扰的方式是合理使用滤波器件和电源地分割。
（3）数模转换电路：是模拟于数字信号的接口，如果布局或布线处理不当，比如数字与模拟电路布局分区不明确、走线交错，就可能引起串扰。
（4）模拟控制信号：理想的模拟器件应该是控制信号与模拟电路在器件内部是隔离的，控制信号只要能保证正确的逻辑电平即可。但器件往往做不到这一点，控制信号上的干扰号可能直接耦合到模拟电路中。解决方式是尽量降低模拟电路控制信号受到的干扰，合理使用滤波器件。

三、数模混合设计的布局规则
规则 1：模拟器件布局在模拟区。

规则 2：数字器件布局在数字区。

规则 3：数模混合芯片作为模拟器件处理，布在模拟区域，但数字接口需要靠近对应的数字器件布局。

规则 4：以下电路尽可能使用屏蔽盒进行保护
1. 接收前端电路，包括天线到接受芯片之间的滤波器、LNA、阻抗匹配电路等。
2. 频率源电路：VCO、锁相环芯片、环路滤波器、晶振等电路。
3. 功放电路。在布局时尽可能是不同的电路有独立的供电路径

规则 5：在电源进入模拟区之前放置滤波电容

规则 6：数字电源与模拟电源从不同的方向进行供电。

规则 7：同一方向供电路径采用从大信号到小信号的路径进行供电。

如图所示：从大到小的供电路径可以减小大信号的回路对小信号电路的干扰。

规则 8：对于功放电源走线应尽可能短，减小线路压降。
较早期的手机电池连接器一般设计在手机板中部，上面为射频电路，下面为数字电路，如图所示：

这样布局的好处在于射频与数字部分供电路径独立，攻放的供电路径短。

规则 9：电源模块在布局和布线时，根据功耗情况，预留散热铜皮区域。

规则 10：布局是为重要的管脚预留接地过孔的空间。
射频器件的接地管脚需要就近接地，并且需要连接到射频信号的参考层，比如如果对第二层进行了挖空处理，那么接地管脚就必须就近连接到第三层。

规则 11：滤波电容靠近性电源模块的管脚，高频滤波电容更靠近管脚。