模拟电路的PCB设计规则

尽管构建模拟系统看起来像是回到了真空管时代，但模拟组件和电路不会很快消失，支持它们的 PCB 也不会消失。纯模拟电路板和混合信号 PCB 在许多产品中仍然很重要，并将继续在一系列频率下运行。模拟 PCB设计入门在从哪里开始和考虑什么方面可能很困难，但我们希望这些指南将帮助您了解可以采取哪些步骤来确保成功。

有时，最好根据共同的设计目标来考虑模拟PCB和混合信号 PCB。模拟电路和PCB需要特别小心，因为目标通常是路由信号并将它们输入到组件/电路中，同时确保低噪声操作。然后，电路板运行的频率范围将决定需要采取的一些措施，以确保设计按预期运行。在本指南中，我们将概述您应该考虑的一些标准模拟 PCB设计和布局指南。我们将尝试覆盖从低 kHz 频率到高毫米波频率。

模拟 PCB 层堆叠

设计好电路后，层堆栈就是设计的第一站。模拟层堆栈通常遵循用于构建数字 PCB 堆栈的相同想法。注意以下几点：

电源和接地：计划在 PCB布局中传输关键信号的走线周围使用大量接地，并相应地规划电源轨布线。较新的设计人员可能习惯于考虑如何布线重要的模拟互连，但如果您尽早这样做，您可以相应地规划电源和信号布线。

高频供电：如果您的模拟板需要以高输出功率和高频进行传输，那么您需要提供非常稳定的电源，可能是高电流。计划在内部层上使用电源层而不是导轨，并在相邻层上放置接地层。

材料选择：我认为每个设计师都希望模拟电路板的每一层都使用低损耗的基于 PTFE 的层压板，但这些昂贵的材料并不总是必要的。如果您的工作频率不是几十 GHz，并且您只使用较短的布线，那么只要您不布线很长的互连，您就可以使用标准的 FR4 层压板。如果您确实需要低损耗层压板，请联系您的制造商，了解如何使用混合PCB叠层。

今天的模拟板通常在与模拟部分相同的板上包含一个数字部分。你应该如何在你的堆叠中处理这些？在混合信号PCB中，电源和接地的建议通常不同，这取决于您的模拟和数字部分是否需要在它们之间进行任何直接布线。

混合信号接地

如果您的电路板也有一个数字部分，那么在您的组件放置方面，事情会变得更加复杂。通常，由于数字电路的速度，您不应使用物理上分离的地平面，而应使用单个地平面。尝试规划您的布局，以便数字和模拟块的返回路径自然分离。这在低频下很困难，这就是为什么如此多的设计指南继续提倡使用单独的模拟和数字接地层的原因。

混合信号电源

对于混合信号电源，电源平面通常分为数字和模拟部分，类似于在不同电源电压下工作的数字电源平面所做的工作。这些部分应位于同一层中，并参考相邻层上的同一接地平面。另外，最好将数字电源轨只放在电路板的数字部分，模拟电源轨也是如此。

模拟和数字 PWR/GND 部分的布置示意图。

如果必须使用上图左侧的排列，则不应将分开的数字和模拟电源平面放在两个相邻的层中，使平面重叠。如果这两个平面在相邻层中确实重叠，则这两个平面将在重叠区域之间具有高电容，从而产生强位移电流。由于这两个平面之间的电位在切换过程中波动，因此这会导致射频频率的腔发射。

此外，您不应通过在模拟和数字部分之间的间隙上布线来创建数字和模拟部分之间的接口。要了解原因，请查看这篇文章。您需要的接口可以由 ADC 提供，该 ADC 可能内置在您的主机控制器中，也可以是专用 IC。

模拟PCB布局中的元件放置

就像上面的 PWR/GND 平面图暗示的那样，只在模拟部分放置模拟组件，在数字部分只放置数字组件。不幸的是，我们无法涵盖所有可能的组件的放置，但我们可以简要讨论一些重要的组件。带有一些重要布局指南的两个最有趣的组件是 ADC 和放大器（包括运算放大器）。虽然我很想在这里提及 PLL，但这些电路依赖于大量时钟路由和精确时序，最好单独写一篇文章。

处理未使用的运算放大器

一个必然出现在模拟板上的组件是运算放大器。在许多运算放大器 IC 中，一些运算放大器将被闲置。IC 上任何未使用的引线都应正确端接。IC 中运算放大器上的未端接（即浮动）引线会产生噪声并传播到工作 IC 中，从而降低信号完整性。

如果您使用的是单电源轨，您应该首先将输出短接到反相输入。这会产生负反馈并确保输出正确跟随输入。接下来，将具有相等电阻的分压器连接到同相输入和接地引脚。这会将输入电位设置为线性范围的中点。如果您使用的是分离轨，您可以简单地将输出短接到反相输入并将同相输入接地。

功率放大器的问题

在低频时，放大器不会受到任何其他PCB不适用的特殊限制。对于以高频运行的功率放大器，情况有所不同，因为放大器输出可能会不稳定，这表现为意外的正反馈。您可以使用一些模拟来跟踪耦合回放大器输入，尽管这些需要一个可以直接与您的PCB布局接口的场解算器。要详细了解这个涉及 RF 功率放大器的有趣信号完整性问题。

放置 ADC 的位置

ADC 是您的模拟信号与数字世界连接的地方，因此该部分需要小心放置，因为它将包含数字部分。分立式 ADC 最好大致沿着数字和模拟部分之间的边界放置。事实上，这可能是在具有分离地平面的混合信号系统中创建接口的唯一可接受的方式，因为硅芯片上的地平面可以为输入/输出信号提供参考平面。但是，如果您使用统一的接地平面，则放置 ADC 以及接地平面提供的屏蔽将具有更大的灵活性。

模拟PCB布线指南

模拟PCB中的布线就是确保沿互连发送的模拟信号在互连的接收器侧不会显着失真。在使用模拟 PCB 时，您的净计数通常比在数字PCB中少得多，因此您可以尽早尝试一些可能的布局，直到找出可解决的平面图。以下是一些路线指南，可帮助您：

走线长度：一般来说，尽量保持模拟PCB中的走线短而直，随着信号频率的提高，这一点非常重要。除了损耗之外，还要注意信号的临界长度。

强制阻抗匹配： 即使您的走线长度很短，无论如何强制阻抗匹配仍然是一个好主意。这可能意味着您需要在重要的电路或组件上设计一些阻抗匹配网络，以确保电路之间的无反射功率传输。

考虑共面布线：您可以利用共面PCB布线来确保高隔离度而不牺牲阻抗。您仍然可以在违反关于浇铜的“3W”间隙规则的同时强制进行阻抗控制。

最小化过孔的使用： 每个过孔都会增加互连 S 参数的损耗，因此最好将这些损耗最小化，并在可能的情况下仅进行必要的层转换。对于那些仍然存在的通孔，它们可能会像天线一样产生强烈的辐射

根据您将在电路板中使用的主频率，您可能会考虑通过平面层之间的内部层进行布线。当需要隔离时，内部层上的更高频率带状线或共面布线是首选，只要最小化过孔转换即可。还要确保您的过孔尺寸合适，并与带有反焊盘的平面间隔适合您的工作频率，尽管这说起来容易做起来难，也不容易计算。这个特定点应该通过测量（S 参数）进行检查，因为附近的平面和其他导体将在信号转换到内层期间修改过孔阻抗。

在模拟PCB布局中有很多需要考虑的问题，但正确的设计工具和规则驱动的设计软件将帮助您实施所需的指导方针，以保持模拟系统无噪声并确保信号/电源完整性。 Altium Designer的® 包含任何模拟，数字或混合信PCB在单一设计环境，包括强大的路由工具，以帮助您保持高效的最佳PCB布局特点。