Elektronisches Design - Wie entwerfe ich eine Mixed-Signal PCB?

Der Betrieb von analogen Leiterplatten-Schaltungen hängt von kontinuierlich variierendem Strom und Spannung ab. Der Betrieb digitaler Schaltungen beruht auf der Erkennung von hohen oder niedrigen Pegeln am Empfänger basierend auf einem vordefinierten Spannungspegel oder Schwellenwert, der bei der Beurteilung des logischen Zustandes "wahr" oder "falsch" entspricht. Zwischen hohen und niedrigen Pegeln einer digitalen Schaltung gibt es einen "grauen" Bereich, in dem die digitale Schaltung manchmal analoge Effekte aufweist, wie Überschuss und Ringback Reflexion, wenn das digitale Signal schnell genug von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel (Zustand) springt. Das Konzept der Mixed-Signal-Leiterplatten ist für modernes Plattendesign zweideutig, da es analoge Schaltungen und analoge Effekte auch in reinen "digitalen" Geräten gibt. Daher muss zu Beginn des Entwurfs der Simulationseffekt simuliert werden, um eine strenge Zeitreihenzuweisung zuverlässig zu erreichen. Denn neben der Zuverlässigkeit, dass Kommunikationsprodukte über mehrere Jahre fehlerfrei funktionieren müssen, sind Simulationseffekte besonders bei massenproduzierten Low-Cost/High-Performance-Verbraucherprodukten gefragt.

Eine weitere Schwierigkeit im modernen Mixed-Signal-Leiterplattendesign ist, dass es immer mehr Geräte mit unterschiedlicher digitaler Logik gibt, wie GTL, LVTTL, LVCMOS und LVDS-Logik. Die logischen Schwellenwerte und Spannungsschwankungen jeder Logikschaltung sind unterschiedlich. Diese unterschiedlichen Logikschwellen und Spannungsschwankungen müssen jedoch gemeinsam auf einer Leiterplatte ausgelegt werden. Hier können Sie erfolgreiche Strategien und Techniken meistern, indem Sie das Layout und das Verdrahtungsdesign von Leiterplatten mit hoher Dichte, hoher Leistung und gemischtem Signal gründlich analysieren.

Hybrid Signal Circuit Verdrahtungsbasis

Wenn digitale und analoge Schaltungen die gleichen Komponenten auf derselben Platine teilen, müssen das Layout und die Verdrahtung der Schaltung methodisch sein.

Im Mixed-Signal-Leiterplattendesign gibt es spezielle Anforderungen an die Stromverdrahtung und die Trennung von analogem Rauschen und digitalem Schaltungsrausch, um Rauschkopplung zu vermeiden, was die Komplexität von Layout und Verdrahtung erhöht.Die speziellen Anforderungen an Stromübertragungsleitungen und die Anforderung, Rauschkopplung zwischen analogen und digitalen Schaltungen zu isolieren, erschweren das Layout und die Verdrahtung von Mixed-Signal-Leiterplatten weiter.

Wenn die Stromversorgung des analogen Verstärkers im A/D-Wandler mit der digitalen Stromversorgung des A/D-Wandlers verbunden ist, ist die Interaktion zwischen dem analogen Teil und dem digitalen Teil der Schaltung wahrscheinlich. Vielleicht muss das Layout-Schema die Verkabelung von digitalen und analogen Schaltungen aufgrund der Lage des Eingangs-/Ausgangsanschlusses mischen.

Vor Layouts und Verkabelungen müssen Ingenieure die grundlegenden Schwächen des Layouts und des Verdrahtungsschemas verstehen. Selbst bei falschen Urteilen neigen die meisten Ingenieure dazu, Layout- und Verdrahtungsinformationen zu verwenden, um potenzielle elektrische Auswirkungen zu identifizieren.

Layout und Verdrahtung moderner Mixed-Signal Leiterplatten

Im Folgenden wird das Layout und die Verdrahtungstechnik von Mixed-Signal-Leiterplatten durch das Design von OC48-Schnittstellenkarten beschrieben. OC48 steht für Optical Carrier Standard 48, der sich grundsätzlich an der seriellen optischen Kommunikation 2.5GB orientiert. Es ist einer der optischen Kommunikationsstandards mit hoher Kapazität in modernen Kommunikationsgeräten. OC48-Schnittstellenkarte enthält mehrere typische Layout- und Verdrahtungsprobleme für gemischte Leiterplatten. Der Layout- und Verdrahtungsprozess zeigt die Reihenfolge und Schritte an, um das Layoutschema für gemischte Leiterplatten zu lösen.

Die OC48-Karte enthält einen Transceiver, der optische und analoge Signale in beide Richtungen konvertiert. Ein analoger Signaleingang oder -ausgang digitaler Signalprozessor, der von einem DSP in eine digitale Logikpegel umgewandelt wird, um an einen Mikroprozessor, ein programmierbares Gate-Array und eine Systemschnittstellenschaltung eines DSP und eines Mikroprozessors auf einer OC48-Karte anzuschließen. Separate phasenverriegelte Schleifen, Leistungsfilter und lokale Referenzspannungsquellen sind ebenfalls integriert.

Unter ihnen ist der Mikroprozessor ein Multi-Power-Gerät, die Hauptstromversorgung ist 2V, 3.3V I/O Signalleistung wird von anderen digitalen Geräten auf der Platine geteilt. Eine eigenständige digitale Taktquelle bietet Uhren für OC48I/O, Mikroprozessoren und System-I/O.

Nach Prüfung der Layout- und Verdrahtungsanforderungen verschiedener Funktionsschaltblöcke wird vorab empfohlen, 12-Lagen-Platinen zu verwenden, wie in Abbildung 3 gezeigt. Die Konfiguration von Microstrip- und Stripline-Schichten kann die Kopplung benachbarter Schichten sicher reduzieren und die Impedanzkontrolle verbessern. Die Erdung zwischen Layer 1 und Layer 2 isoliert die Verkabelung empfindlicher analoger Referenzquellen, CPU-Kerne und PLL-Filternetzteile vom Mikroprozessor und DSP-Geräten in Layer 1. Strom- und Verbindungsebenen erscheinen immer paarweise, genau wie auf der OC48-Karte für die Freigabe der 3,3V-Power-Ebene. Dadurch wird die Impedanz zwischen dem Netzteil und dem Boden reduziert, wodurch das Rauschen auf dem Leistungssignal reduziert wird.

Um digitale Taktleitungen und analoge Hochfrequenz-Signalleitungen in der Nähe der Leistungsschicht zu vermeiden, wird ansonsten das Rauschen des Leistungssignals mit dem empfindlichen analogen Signal gekoppelt.

Um den Anforderungen der digitalen Signalverdrahtung gerecht zu werden, sollte der Einsatz von Netzteilen und geteilten Öffnungen in analogen Erdungsschichten, insbesondere an den Ein- und Ausgangsenden von Hybridsignalgeräten, sorgfältig berücksichtigt werden. Das Durchlaufen einer Öffnung in der benachbarten Signalschicht kann zu diskontinuierlichen Impedanzen und schlechten Übertragungsleitungsschleifen führen. Diese alle verursachen Signalqualität, Timing und EMI Probleme.

Manchmal kann das Hinzufügen mehrerer Erdungsschichten oder die Verwendung mehrerer Peripherieschichten für die lokale Stromversorgung oder Erdungsschicht unter einem Gerät die Öffnungen entfernen und diese Probleme vermeiden. Auf der OC48-Schnittstellenkarte werden mehrere Erdungsschichten verwendet. Das symmetrische Stapeln der Öffnungs- und Verdrahtungsschichten vermeidet Verklemmen und vereinfacht den Herstellungsprozess. Da eine Unze kupferplattiertes Blatt hohen Strom widerstehen kann, wird eine Unze kupferplattiertes Blatt für 3.3V Stromversorgungsschicht und entsprechende Erdungsschicht verwendet, und 0,5 Unze kupferplattiertes Blatt kann für andere Schichten verwendet werden, die die Spannungsschwankung verringern können, die durch vorübergehenden hohen Strom oder während der Spitzenperiode verursacht wird.

Wenn Sie ein komplexes System vom Erdgeschoss nach oben entwerfen, sollten Sie Karten von 0,093 Zoll und 0,100 Zoll Stärke verwenden, um die Verdrahtungsschicht und die Erdisolationsschicht zu unterstützen. Die Kartendicke muss auch entsprechend den verdrahtungscharakteristischen Abmessungen der Durchgangslochpads und Löcher angepasst werden, damit das Verhältnis des Bohrungsdurchmessers zur fertigen Kartendicke das Breite-Höhenverhältnis der vom Hersteller bereitgestellten metallisierten Löcher nicht überschreitet.

Wenn Sie ein kostengünstiges, ertragreiches kommerzielles Produkt mit einer minimalen Anzahl von Verdrahtungsschichten entwerfen möchten, prüfen Sie sorgfältig die Verdrahtungsdetails aller speziellen Stromquellen auf der Mischsignal-Leiterplatte vor dem Verlegen oder Verdrahten. Lassen Sie den Zielhersteller den ursprünglichen Schichtplan überprüfen, bevor Sie mit dem Layout und der Verkabelung beginnen. Grundsätzlich basieren Schichten auf der Dicke des fertigen Produkts, der Anzahl der Schichten, dem Gewicht des Kupfers, der Impedanz (mit Toleranz) und der Mindestgröße der Durchgangslochpads und Löcher, und der Hersteller sollte eine schriftliche Empfehlung für die Schichtung abgeben.

Es wird empfohlen, alle Konfigurationen von gesteuerten Impedanzstreifen und Mikrostreifenleitungen einzubeziehen. Kombinieren Sie Ihre Impedanzvorhersagen mit denen des Leiterplattenherstellers. Diese Impedanzvorhersagen können dann verwendet werden, um die Signalverdrahtungseigenschaften im Simulationswerkzeug zu validieren, das zur Entwicklung von CAD-Verdrahtungsregeln verwendet wird.