本文重點

在混合信號 PCB Layout 上布線

在混合信號設(shè)計中放置器件。

電源分配網(wǎng)絡(luò)的混合信號 PCB 設(shè)計要求。

以前，電子產(chǎn)品包含多個電路板，每塊電路板負責(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)逐漸被混合信號設(shè)計所取代。

乍看之下，混合信號 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)過仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，混合信號設(shè)計有一些獨特的要求，如果沒有做好準備，可能會面臨設(shè)計上的挑戰(zhàn)。我們將在混合信號 PCB 設(shè)計指南中列出這些要求，幫助您完成下一個設(shè)計。

一些布線可能是混合信號 PCB 設(shè)計的一部分

混合信號 PCB Layout中的器件擺放

在準備布置混合信號 PCB 設(shè)計時，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 CAD 軟件。無論選擇哪種方式，先進行布局規(guī)劃都有助于劃分不同的電路區(qū)域，避免它們的信號在布置 PCB 時發(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，進而提高設(shè)計整體的信號完整性。

保持分區(qū)：將敏感的數(shù)字和模擬器件與布線彼此分離，確保最佳信號完整性。有時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，同時會產(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，同時需要靠近相關(guān)電路，以獲得最佳的信號完整性。

旁路電容器：在混合信號設(shè)計中，電源完整性尤為重要，因為接地反彈和電源尖峰可能會對設(shè)計造成影響。為了抵消這些影響，處理器上的每個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，以確保布線簡短且直接。

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

電源：每個電源的電路都需要與敏感的數(shù)字和模擬電路隔離，同時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)計中實現(xiàn)最佳的電源完整性。

雖然我們一直在討論混合信號設(shè)計的電氣需求，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，在放置器件以實現(xiàn)最佳信號和電源完整性時，需要遵循所有可制造性設(shè)計 (DFM) 規(guī)則。Layout 的另一個關(guān)鍵方面是電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，我們將在接下來的混合信號 PCB 設(shè)計指南中探討這一點。

現(xiàn)在，不同類型的電路通常集成在同一個電路板上

電源分配網(wǎng)絡(luò)的

混合信號 PCB 設(shè)計指南

之所以在設(shè)計時要重點關(guān)注設(shè)計分區(qū)，其中一個原因是要為電路板創(chuàng)建一個非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)。因為電路板上集成了不同類型的電路，所以需要考慮一個問題：設(shè)計人員是否應(yīng)該對電路的數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域使用單獨或分開的接地平面。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有所幫助。然而，相較于在同一平面接地，將標準混合信號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)計提供清晰的信號返回路徑，接地平面起著至關(guān)重要的作用。在標準混合信號設(shè)計中，如果信號在兩個電路區(qū)域之間交叉，這些交叉信號的返回路徑將被分離的接地平面中斷。單獨的接地平面很可能會迫使信號通過電纜、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。為了避免此類信號和電源完整性問題，標準混合信號設(shè)計的最佳接地配置是使用一個完整的接地參考平面。得益于精心設(shè)計的器件布局和當(dāng)今數(shù)字電路的速度，只要沒有被阻塞或中斷，返回路徑自然會靠近其出站信號布線。除了提供信號返回路徑的最佳配置之外，單個接地平面還有以下優(yōu)點：

保護設(shè)計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)時分割平面。不要切斷引腳的電源，否則可能會出現(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設(shè)計布線的另外一些指南。

管理設(shè)計規(guī)則和約束是混合信號 PCB 設(shè)計的重要組成部分

混合信號設(shè)計中的走線布線

通過仔細劃分電路板區(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)走線布線自然會遵循正確的路徑。但在混合信號 PCB 設(shè)計布線中，有一些走線布線指南需要特別注意：

信號路徑要簡短、直接。

遵循原理圖的信號路徑，特別是在高速電路中。

創(chuàng)建天線時，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。

在混合信號設(shè)計中，走線布線是設(shè)置和使用設(shè)計規(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)計規(guī)則。接下來，我們將探討 PCB 設(shè)計工具中有助于混合信號 PCB Layout 的其他功能。

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

混合信號 PCB 設(shè)計必備的

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)計規(guī)則的重要性。在為混合信號設(shè)計布線時，這可以幫助我們針對標準布線、差分對、阻抗控制走線、不同的模擬信號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、測試約束，甚至能控制信號完整性和時序等電氣屬性。

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 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 是對混合信號 PCB 設(shè)計進行完整 PDN 分析的第一步，利用該工具，用戶無需使用多個原型模塊進行昂貴的調(diào)試和測試。

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