【導讀】本文將詳細說(shuō)明在設計混合信號PCB的布局時(shí)應考慮的內容。本文涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量，文中討論的準則為混合信號板的布局設計提供了一種實(shí)用方法，對所有背景的工程師應當都能有所幫助。
混合信號PCB設計要求對模擬和數字電路有基本的了解，以最大程度地減少（如果不能防止的話(huà)）信號干擾。構成現代系統的元件既有在數字域運行的元件，又有在模擬域運行的元件，必須精心設計以確保整個(gè)系統的信號完整性。
作為混合信號開(kāi)發(fā)過(guò)程的重要組成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置僅僅是開(kāi)始。還有其他因素必須考慮，包括電路板各層以及如何適當管理這些層，以最大程度地減少寄生電容 （PCB的平面間層之間可能會(huì )意外產(chǎn)生此類(lèi)電容）引起的干擾。
接地也是混合信號系統的PCB布局設計中的一個(gè)重要步驟。盡管接地是行業(yè)中經(jīng)常爭論的一個(gè)話(huà)題，但對于工程師來(lái)說(shuō)，制定一套標準化方法不一定是最簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，高質(zhì)量接地的某個(gè)單一問(wèn)題可能會(huì )影響高性能混合信號PCB設計的整個(gè)布局。因此，不應忽略此方面。
元件放置
與建造房屋類(lèi)似，放置電路元件之前必須創(chuàng )建系統的平面規劃圖。此步驟將奠定系統設計的整體完整性，并應有助于避免高噪聲信號干擾。
在制定平面圖時(shí)，建議遵循原理圖的信號路徑，尤其是對于高速電路。元件的位置也是設計的關(guān)鍵方面。設計人員應能識別重要的功能模塊、信號以及模塊之間的連接，從而確定各元件在系統中的最佳位置。例如，連接器最好放置在板的邊緣，而輔助元件（如去耦電容和晶振）必須盡可能靠近混合信號器件放置。
模擬和數字模塊分離
為了盡量減少模擬和數字信號的共同返回路徑，可以考慮模擬和數字模塊分離，以使模擬信號不會(huì )與數字信號混合。
圖1. 模擬和數字電路分離
圖1顯示了模擬和數字電路分離的一個(gè)很好的例子。分割模擬和數字部分時(shí)應注意以下事項：
● 建議將敏感的模擬元件（如放大器和基準電壓源）放置在模擬平面內。類(lèi)似地，高噪聲的數字元件（如邏輯控制和時(shí)序模塊）必須放在另一側/數字平面上。
● 如果系統包含一個(gè)具有低數字電流的混合信號模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)，則對此的處理方式可以與模擬平面中包含的模擬元件相似。
● 對于具有多個(gè)高電流ADC和DAC的設計，建議將模擬和數字電源分開(kāi)。也就是說(shuō)， AVCC 必須與模擬部分綁定，而DVDD應連接到數字部分。
● 微處理器和微控制器可能會(huì )占用空間并產(chǎn)生熱量。這些器件必須放置在電路板的中心以便更好地散熱，同時(shí)應靠近與其相關(guān)的電路模塊。
電源模塊
電源是電路的重要組成部分，應妥善處理。根據經(jīng)驗，電源模塊必須與電路的其余部分隔離，同時(shí)仍應靠近其供電的元件。
復雜系統中的器件可能有多個(gè)電源引腳，在這種情況下，模擬部分和數字部分可以分別使用專(zhuān)用電源模塊，以避免高噪聲數字干擾。
另一方面，電源布線(xiàn)應短而直，并使用寬走線(xiàn)以減小電感和避免限流。
去耦技術(shù)
電源抑制比(PSRR)是設計人員在實(shí)現系統目標性能時(shí)必須考慮的重要參數之一。PSRR衡量器件對電源變化的靈敏度，最終將決定器件的性能。
為了保持最佳PSRR，有必要防止高頻能量進(jìn)入器件。為此，可以利用電解電容和陶瓷電容的組合將器件電源適當去耦到低阻抗接地平面。
適當去耦的目的是為電路運行創(chuàng )造一個(gè)低噪聲環(huán)境?；疽巹t是通過(guò)提供最短路徑來(lái)使電流輕松返回。
設計人員務(wù)必注意關(guān)于每個(gè)器件的高頻濾波建議。更重要的是，該清單將用作指南，提供一般去耦技術(shù)及其正確的實(shí)施方案：
● 電解電容充當瞬態(tài)電流的電荷儲存器，以最大程度地降低電源上的低頻噪聲，而低電感陶瓷電容用于降低高頻噪聲。另外，鐵氧體磁珠是可選的，但會(huì )增加高頻噪聲隔離和去耦。
● 去耦電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置。這些電容應通過(guò)過(guò)孔或短走線(xiàn)連接到低阻抗接地平面的較大區域，以最大程度地減少附加串聯(lián)電感。
● 較小電容（通常為0.01μF至0.1μF）應盡可能靠近器件的電源引腳放置。當器件同時(shí)有多個(gè)輸出切換時(shí)，這種布置可防止運行不穩定。電解電容（通常為10μF至100μF）距離器件的電源 引腳應不超過(guò)1英寸。
● 為使實(shí)施更輕松，可以利用器件GND引腳附近的過(guò)孔通過(guò)T型連接將去耦電容連接到接地平面，而不是創(chuàng )建走線(xiàn)。示例參見(jiàn)圖2。
圖2. 電源引腳的去耦技術(shù)
電路板層
一旦完成元件放置和平面規劃圖，我們就可以看看電路板設計的另一個(gè)方面——通常稱(chēng)之為電路板層。強烈建議先考慮電路板層，再進(jìn)行PCB布線(xiàn)，因為這將確定系統設計的允許回流路徑。
電路板層指電路板中銅層的垂直布置。這些層應管理整個(gè)電路板的電流和信號。
圖3. 4層PCB示例
圖3顯示了電路板各層的視覺(jué)表示。表1詳細說(shuō)明了一個(gè)典型4層PCB的設置：
表1. 典型4層PCB
通常，高性能數據收集系統應有四層或更多層。頂層通常用于數字/模擬信號，而底層用于輔助信號。第二層（接地層）充當阻抗控制信號的參考平面，用于減少I(mǎi)R壓降并屏蔽頂層中的數字信號。最后，電源平面位于第三層。
電源和接地平面必須彼此相鄰，因為它們提供了額外的平面間電容，有助于電源的高頻去耦。
對于接地層，這些年來(lái)針對混合信號設計的建議已改變。多年來(lái)，將接地平面分為模擬和數字兩部分是有道理的，但是對于現代的混合信號器件，建議采用一種新方法。適當的平面規劃和信號分離應能防止高噪聲信號的相關(guān)問(wèn)題。
接地平面：分離還是不分離？
接地是混合信號PCB布局設計中的一個(gè)重要步驟。典型4層PCB至少須有一層專(zhuān)門(mén)用于接地平面，以確保返回信號通過(guò)低阻抗路徑返回。所有集成電路接地引腳應路由并直接連接到低阻抗接地平面，從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。
對于混合信號系統，分離模擬和數字接地已成為一種標準接地方法。但是，具有低數字電流的混合信號器件最好通過(guò)單一接地進(jìn)行管理。更進(jìn)一步，設計人員必須根據混合信號電流需求考慮哪種接地做法最合適。設計人員須考慮兩種接地做法。
單一接地平面
對于具有單個(gè)低數字電流ADC或DAC的混合信號系統，單一實(shí)接地平面會(huì )是最佳方法。要理解單一接地層的重要性，我們需要回顧返回電流。返回電流是指返回接地以及器件之間的走線(xiàn)以形成一個(gè)完整環(huán)路的電流。為了防止混合信號干擾，必須跟蹤整個(gè)PCB布局中的每條返回路徑。
圖4. 采用實(shí)接地平面的系統的返回電流
圖4中的簡(jiǎn)單電路顯示了單一實(shí)接地平面相對于分離接地平面的優(yōu)勢。信號電流具有大小相等但方向相反的返回電流。該返回電流在接地平面中流回源，它將沿著(zhù)阻抗最小的路徑流動(dòng)。
對于低頻信號，返回電流將沿著(zhù)電阻最小的路徑流動(dòng)，通常是器件接地基準點(diǎn)之間的直線(xiàn)。但對于較高頻率信號，返回電流的一部分會(huì )嘗試沿著(zhù)信號路徑返回。這是因為沿此路徑的阻抗較低，流出和返回的電流之間形成的環(huán)路最小。
模擬地和數字地分離
對于難以采用實(shí)接地方案的復雜系統，分離接地可能更合適。分離接地平面是另一種常用方法，接地平面一分為二：模擬接地平面和數字接地平面。這適用于具有多個(gè)混合信號器件并消耗高數字電流的更復雜系統。圖5顯示了采用分離接地平面的系統示例。
圖5. 采用分離接地平面的系統的返回電流
對于采用分離接地平面的系統，實(shí)現整體接地的最簡(jiǎn)單解決方案是消除接地平面的中斷，并允許返回電流采取更直接的路線(xiàn)，通過(guò)星形接地交界處流回。星形接地是混合信號布局設計中模擬和數字接地平面連接在一起的交界處。
在常見(jiàn)系統中，星形接地可以與模擬和數字接地平面之間的簡(jiǎn)單狹窄連續交界相關(guān)。對于更復雜的設計，星形接地通常用跳線(xiàn)分流到接地接頭來(lái)實(shí)現。星形接地中沒(méi)有電流流動(dòng)，因此不需要承載高電流的接頭和跳線(xiàn)分流器。星形接地的主要作用是確保兩個(gè)接地具有相同的基準電平。
設計人員務(wù)必檢查每個(gè)器件的數據手冊中提供的接地建議，確保符合接地要求并避免與接地有關(guān)的問(wèn)題。另一方面，具有AGND和DGND引腳的混合信號器件可以與各自的接地平面相連因為星形接地也會(huì )在一點(diǎn)上連接兩種接地。這樣，所有高噪聲數字電流都會(huì )流過(guò)數字電源，一直流到數字接地平面，并回到數字電源，同時(shí)與敏感的模擬電路隔離。AGND和DGND平面的隔離必須在多層PCB的所有層上實(shí)現。
其他常見(jiàn)接地做法
可以采用下面的步驟或檢查清單來(lái)確保在混合信號/數字系統中實(shí)施了適當的接地方案：
● 星形接地點(diǎn)的連接應由較寬的銅走線(xiàn)構成。
● 檢查接地平面有無(wú)窄走線(xiàn)，這些連接是不合需要的。
● 提供焊盤(pán)和過(guò)孔很有用，以便在必要時(shí)可以連接模擬和數字接地平面。
結論
混合信號應用的PCB布局可能很有挑戰性。創(chuàng )建元件平面規劃圖只是起點(diǎn)。當努力實(shí)現混合信號系統布局的最佳性能時(shí)，正確管理電路板層和制定適當的接地方案也是系統設計人員必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一。制定元件平面規劃圖將有助于奠定系統設計的整體完整性。適當地組織電路板層將有助于管理整個(gè)電路板的電流和信號。最后，選擇最有利的接地方案將會(huì )改善系統性能，并防止與高噪聲信號和返回電流相關(guān)的問(wèn)題發(fā)生。
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