混合信号PCB布局设计的基本准则

作者：May Anne Porley，应用工程师和Kevin Chesser，产品应用工程师
 

摘要

本文详细说明在设计混合信号PCB的布局时应考虑的内容。本文将涉及元件放置、电路板分层和接地平面方面的考量。本文讨论的准则为混合信号板的布局设计提供了一种实用方法，对所有背景的工程师应当都能有所帮助。
 

简介

混合信号PCB设计要求对模拟和数字电路有基本的了解，以最大程度地减少（如果不能防止的话）信号干扰。构成现代系统的元件既有在数字域运行的元件，又有在模拟域运行的元件，必须精心设计以确保整个系统的信号完整性。
 
作为混合信号开发过程的重要组成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置仅仅是开始。还有其他因素必须考虑，包括电路板各层以及如何适当管理这些层，以最大程度地减少寄生电容（PCB的平面间层之间可能会意外产生此类电容）引起的干扰。
 
接地也是混合信号系统的PCB布局设计中的一个重要步骤。尽管接地是行业中经常争论的一个话题，但对于工程师来说，制定一套标准化方法不一定是最简单的任务。例如，高质量接地的某个单一问题可能会影响高性能混合信号PCB设计的整个布局。因此，不应忽略此方面。
 

元件放置

与建造房屋类似，放置电路元件之前必须创建系统的平面规划图。此步骤将奠定系统设计的整体完整性，并应有助于避免高噪声信号干扰。
 
在制定平面图时，建议遵循原理图的信号路径，尤其是对于高速电路。元件的位置也是设计的关键方面。设计人员应能识别重要的功能模块、信号以及模块之间的连接，从而确定各元件在系统中的最佳位置。例如，连接器最好放置在板的边缘，而辅助元件（如去耦电容和晶振）必须尽可能靠近混合信号器件放置。
 

模拟和数字模块分离

为了尽量减少模拟和数字信号的共同返回路径，可以考虑模拟和数字模块分离，以使模拟信号不会与数字信号混合。
 

图1.模拟和数字电路分离

 
图1显示了模拟和数字电路分离的一个很好的例子。分割模拟和数字部分时应注意以下事项：
 

建议将敏感的模拟元件（如放大器和基准电压源）放置在模拟平面内。类似地，高噪声的数字元件（如逻辑控制和时序模块）必须放在另一侧/数字平面上。

如果系统包含一个具有低数字电流的混合信号模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)，则对此的处理方式可以与模拟平面中包含的模拟元件相似。

对于具有多个高电流ADC和DAC的设计，建议将模拟和数字电源分开。也就是说，AVCC必须与模拟部分绑定，而DVDD应连接到数字部分。

微处理器和微控制器可能会占用空间并产生热量。这些器件必须放置在电路板的中心以便更好地散热，同时应靠近与其相关的电路模块。

电源模块

电源是电路的重要组成部分，应妥善处理。根据经验，电源模块必须与电路的其余部分隔离，同时仍应靠近其供电的元件。
 
复杂系统中的器件可能有多个电源引脚，在这种情况下，模拟部分和数字部分可以分别使用专用电源模块，以避免高噪声数字干扰。
 
另一方面，电源布线应短而直，并使用宽走线以减小电感和避免限流。
 

去耦技术

电源抑制比(PSRR)是设计人员在实现系统目标性能时必须考虑的重要参数之一。PSRR衡量器件对电源变化的灵敏度，最终将决定器件的性能。
 
为了保持最佳PSRR，有必要防止高频能量进入器件。为此，可以利用电解电容和陶瓷电容的组合将器件电源适当去耦到低阻抗接地平面。
 
适当去耦的目的是为电路运行创造一个低噪声环境。基本规则是通过提供最短路径来使电流轻松返回。
 
设计人员务必注意关于每个器件的高频滤波建议。更重要的是，该清单将用作指南，提供一般去耦技术及其正确的实施方案：
 

电解电容充当瞬态电流的电荷储存器，以最大程度地降低电源上的低频噪声，而低电感陶瓷电容用于降低高频噪声。另外，铁氧体磁珠是可选的，但会增加高频噪声隔离和去耦。

去耦电容必须尽可能靠近器件的电源引脚放置。这些电容应通过过孔或短走线连接到低阻抗接地平面的较大区域，以最大程度地减少附加串联电感。

较小电容（通常为0.01μF至0.1μF）应尽可能靠近器件的电源引脚放置。当器件同时有多个输出切换时，这种布置可防止运行不稳定。电解电容（通常为10μF至100μF）距离器件的电源引脚应不超过1英寸。

为使实施更轻松，可以利用器件GND引脚附近的过孔通过T型连接将去耦电容连接到接地平面，而不是创建走线。示例参见图2。

图2.电源引脚的去耦技术

电路板层

一旦完成元件放置和平面规划图，我们就可以看看电路板设计的另一个方面——通常称之为电路板层。强烈建议先考虑电路板层，再进行PCB布线，因为这将确定系统设计的允许回流路径。
 
电路板层指电路板中铜层的垂直布置。这些层应管理整个电路板的电流和信号。
 

图3.4层PCB示例

 
图3显示了电路板各层的视觉表示。表1详细说明了一个典型4层PCB的设置：
 
表1.典型4层PCB

 
通常，高性能数据收集系统应有四层或更多层。顶层通常用于数字/模拟信号，而底层用于辅助信号。第二层（接地层）充当阻抗控制信号的参考平面，用于减少IR压降并屏蔽顶层中的数字信号。最后，电源平面位于第三层。
 
电源和接地平面必须彼此相邻，因为它们提供了额外的平面间电容，有助于电源的高频去耦。
 
对于接地层，这些年来针对混合信号设计的建议已改变。多年来，将接地平面分为模拟和数字两部分是有道理的，但是对于现代的混合信号器件，建议采用一种新方法。适当的平面规划和信号分离应能防止高噪声信号的相关问题。
 

接地平面：分离还是不分离？

接地是混合信号PCB布局设计中的一个重要步骤。典型4层PCB至少须有一层专门用于接地平面，以确保返回信号通过低阻抗路径返回。所有集成电路接地引脚应路由并直接连接到低阻抗接地平面，从而将串联电感和电阻降至最低。
 
对于混合信号系统，分离模拟和数字接地已成为一种标准接地方法。但是，具有低数字电流的混合信号器件最好通过单一接地进行管理。更进一步，设计人员必须根据混合信号电流需求考虑哪种接地做法最合适。设计人员须考虑两种接地做法。
 

单一接地平面

对于具有单个低数字电流ADC或DAC的混合信号系统，单一实接地平面会是最佳方法。要理解单一接地层的重要性，我们需要回顾返回电流。返回电流是指返回接地以及器件之间的走线以形成一个完整环路的电流。为了防止混合信号干扰，必须跟踪整个PCB布局中的每条返回路径。
 

图4.采用实接地平面的系统的返回电流

 
图4中的简单电路显示了单一实接地平面相对于分离接地平面的优势。信号电流具有大小相等但方向相反的返回电流。该返回电流在接地平面中流回源，它将沿着阻抗最小的路径流动。
 
对于低频信号，返回电流将沿着电阻最小的路径流动，通常是器件接地基准点之间的直线。但对于较高频率信号，返回电流的一部分会尝试沿着信号路径返回。这是因为沿此路径的阻抗较低，流出和返回的电流之间形成的环路最小。
 

模拟地和数字地分离

对于难以采用实接地方案的复杂系统，分离接地可能更合适。分离接地平面是另一种常用方法，接地平面一分为二：模拟接地平面和数字接地平面。这适用于具有多个混合信号器件并消耗高数字电流的更复杂系统。图5显示了采用分离接地平面的系统示例。
 

图5.采用分离接地平面的系统的返回电流

 
对于采用分离接地平面的系统，实现整体接地的最简单解决方案是消除接地平面的中断，并允许返回电流采取更直接的路线，通过星形接地交界处流回。星形接地是混合信号布局设计中模拟和数字接地平面连接在一起的交界处。
 
在常见系统中，星形接地可以与模拟和数字接地平面之间的简单狭窄连续交界相关。对于更复杂的设计，星形接地通常用跳线分流到接地接头来实现。星形接地中没有电流流动，因此不需要承载高电流的接头和跳线分流器。星形接地的主要作用是确保两个接地具有相同的基准电平。
 
设计人员务必检查每个器件的数据手册中提供的接地建议，确保符合接地要求并避免与接地有关的问题。另一方面，具有AGND和DGND引脚的混合信号器件可以与各自的接地平面相连，因为星形接地也会在一点上连接两种接地。这样，所有高噪声数字电流都会流过数字电源，一直流到数字接地平面，并回到数字电源，同时与敏感的模拟电路隔离。AGND和DGND平面的隔离必须在多层PCB的所有层上实现。
 

其他常见接地做法

可以采用下面的步骤或检查清单来确保在混合信号/数字系统中实施了适当的接地方案：

星形接地点的连接应由较宽的铜走线构成。

检查接地平面有无窄走线，这些连接是不合需要的。

提供焊盘和过孔很有用，以便在必要时可以连接模拟和数字接地平面。

结论

混合信号应用的PCB布局可能很有挑战性。创建元件平面规划图只是起点。当努力实现混合信号系统布局的最佳性能时，正确管理电路板层和制定适当的接地方案也是系统设计人员必须考虑的关键点之一。制定元件平面规划图将有助于奠定系统设计的整体完整性。适当地组织电路板层将有助于管理整个电路板的电流和信号。最后，选择最有利的接地方案将会改善系统性能，并防止与高噪声信号和返回电流相关的问题发生。