Leiterplattentechnisch - PCB-Designregeln für analoge Schaltungen

Obwohl der Bau eines analogen Systems wie eine Rückkehr in die Ära der Vakuumröhren aussieht, Analoge Komponenten und Schaltungen werden nicht in Kürze verschwinden, auch wird die PCBs, die sie unterstützen. Rein analog Leiterplatten und Mischsignal-Leiterplatten sind in vielen Produkten nach wie vor wichtig und werden weiterhin mit einem Frequenzbereich arbeiten. Erste Schritte mit Analog PCB Design kann schwierig sein, wo anzufangen und was zu beachten ist, Aber wir hoffen, dass diese Richtlinien Ihnen helfen werden, die Schritte zu verstehen, die Sie unternehmen können, um Erfolg zu gewährleisten.

Manchmal ist es besser, analoge Leiterplatten und Mixed-Signal-Leiterplatten basierend auf gemeinsamen Designzielen zu betrachten. Analoge Schaltungen und Leiterplatten erfordern besondere Sorgfalt, denn das Ziel ist in der Regel, Signale zu leiten und in Komponenten/Schaltungen einzugeben und dabei einen rauscharmen Betrieb zu gewährleisten. Dann bestimmt der Frequenzbereich des Betriebs der Platine einige der Maßnahmen, die ergriffen werden müssen, um sicherzustellen, dass das Design wie erwartet funktioniert. In diesem Leitfaden werden wir einige Standard-Richtlinien für analoge PCB-Design und Layout skizzieren, die Sie berücksichtigen sollten. Wir werden versuchen, von niedrigen kHz Frequenzen bis zu hohen Millimeter Wellenfrequenzen abzudecken.

Stapeln von Leiterplatten simulieren

Nachdem die Schaltung entworfen wurde, ist der Layerstapel der erste Halt des Designs. Der analoge Schichtstapel folgt im Allgemeinen der gleichen Idee, die verwendet wird, um einen digitalen PCB-Stapel zu bauen. Beachten Sie folgende Punkte:

Stromversorgung und Erdung: Planen Sie, eine große Anzahl von Erdungen um die Leiterbahnen zu verwenden, die kritische Signale im LeiterplattenLayout übertragen, und planen Sie die Stromschienenführung entsprechend. Neuere Designer mögen daran gewöhnt sein, darüber nachzudenken, wie wichtige analoge Verbindungen umgeleitet werden können, aber wenn Sie dies früh tun, können Sie die Strom- und Signalverdrahtung entsprechend planen.

Hochfrequenzstromversorgung: Wenn Ihre analoge Platine mit hoher Ausgangsleistung und hoher Frequenz übertragen muss, müssen Sie eine sehr stabile Stromversorgung bereitstellen, die Hochstrom sein kann. Plane, eine Energieebene anstelle einer Schiene auf der inneren Schicht zu verwenden, und lege eine Bodenebene auf der benachbarten Ebene.

Materialauswahl: Ich denke, jeder Designer möchte verlustarme PTFE-basierte Laminate für jede Schicht der analogen Leiterplatte verwenden, aber diese teuren Materialien sind nicht immer notwendig. Wenn Ihre Betriebsfrequenz nicht zehn GHz beträgt und Sie nur kurze Verkabelungen verwenden, solange Sie keine sehr langen Verbindungen verdrahten, können Sie Standard-FR4-Laminat verwenden. Wenn Sie wirklich ein verlustarmes Laminat benötigen, wenden Sie sich bitte an Ihren Hersteller, um zu erfahren, wie Sie einen Hybrid-PCB-Stapel verwenden.

In Mischsignal-Leiterplatten, Die Empfehlungen für Leistung und Erdung sind in der Regel unterschiedlich, Je nachdem, ob Ihre analogen und digitalen Teile eine direkte Verkabelung zwischen ihnen erfordern.

Mischsignalversorgung

Bei Mixed-Signal-Netzteilen wird die Leistungsebene normalerweise in digitale und analoge Teile unterteilt, ähnlich der Arbeit von digitalen Leistungsebenen, die unter verschiedenen Stromversorgungsspannungen arbeiten. Diese Teile sollten in der gleichen Schicht liegen und sich auf die gleiche Grundebene auf der benachbarten Schicht beziehen. Darüber hinaus ist es am besten, die digitale Stromschiene nur auf den digitalen Teil der Leiterplatte zu setzen, wie es die analoge Stromschiene ist.

Schematische Darstellung des Layouts der analogen und digitalen PWR/GND Teile.

Wenn die Anordnung auf der linken Seite der obigen Abbildung verwendet werden muss, sollten getrennte digitale und analoge Leistungsebenen nicht in zwei benachbarten Ebenen platziert werden, so dass sich die Ebenen überlappen. Wenn sich diese beiden Ebenen in benachbarten Schichten überlappen, haben die beiden Ebenen eine hohe Kapazität zwischen den überlappenden Bereichen, wodurch ein starker Verschiebungsstrom erzeugt wird. Da das Potential zwischen diesen beiden Ebenen während des Schaltvorgangs schwankt, führt dies zu Hohlraumemissionen bei Hochfrequenz.

Darüber hinaus sollten Sie keine Schnittstelle zwischen den digitalen und analogen Teilen erstellen, indem Sie die Lücken zwischen den analogen und digitalen Teilen verdrahten. Um zu verstehen warum, lesen Sie diesen Artikel. Die Schnittstelle, die Sie benötigen, kann vom ADC bereitgestellt werden, der in Ihren Host-Controller oder einen dedizierten IC eingebaut werden kann.

Bauteilplatzierung im PCB-Layout simulieren

Wie der PWR/GND-Plan oben impliziert, platzieren Sie nur analoge Komponenten in den analogen Teil und nur digitale Komponenten in den digitalen Teil. Leider können wir nicht alle möglichen Bauteilplatzierungen abdecken, aber wir können einige wichtige Komponenten kurz besprechen. Die beiden interessantesten Komponenten mit einigen wichtigen Layoutrichtlinien sind ADCs und Verstärker (einschließlich Operationsverstärker).

Umgang mit ungenutzten Operationsverstärker

Eine Komponente, die auf der analogen Platine erscheinen muss, ist der Operationsverstärker. In vielen OP-Amp ICs sind einige OP-Amps inaktiv. Alle ungenutzten Leitungen am IC sollten ordnungsgemäß beendet werden. Die unbestimmten (d.h. schwebenden) Leitungen am Operationsverstärker im IC können Rauschen erzeugen und sich in den funktionierenden IC ausbreiten, wodurch die Signalintegrität verringert wird.

Wenn Sie eine einzelne Stromschiene verwenden, sollten Sie zuerst den Ausgang auf den invertierenden Eingang kürzen. Dies erzeugt negatives Feedback und stellt sicher, dass der Ausgang dem Eingang korrekt folgt. Als nächstes schließen Sie einen Spannungsteiler mit gleichem Widerstand an die nicht invertierenden Eingangs- und Massepunkte an. Damit wird das Eingangspotential auf den Mittelpunkt des linearen Bereichs gesetzt. Wenn Sie eine geteilte Schiene verwenden, können Sie den Ausgang einfach auf den invertierenden Eingang kürzen und den nicht invertierenden Eingang erden.

Probleme mit Leistungsverstärkern

Bei niedrigen Frequenzen unterliegt der Verstärker keinen besonderen Einschränkungen, die für andere Leiterplatten nicht gelten. Bei Leistungsverstärkern, die mit hohen Frequenzen arbeiten, ist die Situation anders, da der Verstärkerausgang instabil sein kann, was sich als unerwartetes positives Feedback manifestiert. Sie können einige Simulationen verwenden, um die Kopplung zurück zum Verstärkereingang zu verfolgen, obwohl diese einen Feldlöser benötigen, der direkt mit Ihrem PCB-Layout kommunizieren kann. Erfahren Sie mehr über dieses interessante Problem der Signalintegrität bei HF-Leistungsverstärkern.

Wo ist der ADC zu platzieren?

ADC ist der Ort, an dem sich Ihr analoges Signal mit der digitalen Welt verbindet. Dieser Teil muss daher sorgfältig platziert werden, da er den digitalen Teil enthält. Diskrete ADCs sind am besten ungefähr entlang der Grenze zwischen dem digitalen und analogen Teil platziert. Tatsächlich kann dies die einzige akzeptable Möglichkeit sein, eine Schnittstelle in einem Mischsignalsystem mit einer separaten Masseebene zu schaffen, da die Masseebene auf dem Siliziumchip eine Referenzebene für Eingangs-/Ausgangssignale bereitstellen kann. Wenn Sie jedoch eine einheitliche Erdungsebene verwenden, haben die Platzierung des ADC und die Abschirmung, die durch die Erdungsebene bereitgestellt wird, mehr Flexibilität.

Analoge PCB Layout Anleitung

Die Verkabelung im Analog PCB Es soll sichergestellt werden, dass das analoge Signal, das entlang der Verbindung gesendet wird, auf der Empfängerseite der Verbindung nicht erheblich verzerrt wird. Bei Verwendung eines Analogsystems PCB, Ihre Nettozahl ist in der Regel viel geringer als in einem digitalen PCB, So können Sie einige mögliche Layouts so früh wie möglich ausprobieren, bis Sie einen lösbaren Grundriss gefunden haben. Here are some route guides:

Trace Länge: Versuchen Sie im Allgemeinen, die Spuren in der analogen Leiterplatte so kurz und gerade wie möglich zu halten. Dies ist sehr wichtig, da die Signalfrequenz zunimmt. Neben dem Verlust müssen wir auch auf die kritische Länge des Signals achten.

Minimierung der Verwendung von Durchkontaktierungen: Jedes Durchkontakt erhöht den Verlust von S-Parametern der Verbindung, daher ist es am besten, diese Verluste zu minimieren und nur erforderliche Layerkonvertierungen durchzuführen, wenn möglich. Für diejenigen durch Löcher, die noch existieren, können sie starke Strahlung wie eine Antenne erzeugen

Es gibt viele Probleme in analogen PCB layout, but the right design tools und rule-driven design software will help you implement the guidelines needed to keep the analog system noise-free and ensure signal/Leistungsintegrität.