Progettazione PCB - Come progettare un PCB a segnale misto?

Il funzionamento dei circuiti analogici del circuito stampato PCB dipende da corrente e tensione variabili continuamente. Il funzionamento dei circuiti digitali si basa sul rilevamento di livelli alti o bassi al ricevitore sulla base di un livello di tensione predefinito o soglia, che è equivalente a "vero" o "falso" giudicando lo stato logico. Tra i livelli alti e bassi di un circuito digitale, c'è un'area "grigia" in cui il circuito digitale a volte mostra effetti analogici, come overshoot e riflessione di ringback quando il segnale digitale salta abbastanza velocemente da un livello basso a un livello alto (stato). Il concetto di circuiti stampati PCB a segnale misto è ambiguo per il design moderno delle piastre perché ci sono circuiti analogici ed effetti analogici anche in dispositivi "digitali" puri. Pertanto, all'inizio della progettazione, al fine di ottenere in modo affidabile una rigorosa allocazione delle serie temporali, l'effetto di simulazione deve essere simulato. Infatti, oltre all'affidabilità che i prodotti di comunicazione devono funzionare senza guasti per diversi anni, gli effetti di simulazione sono particolarmente necessari nei prodotti di consumo di massa a basso costo/alte prestazioni.

Un'altra difficoltà nella progettazione moderna di circuiti stampati PCB a segnale misto è che ci sono sempre più dispositivi con logica digitale diversa, come GTL, LVTTL, LVCMOS e LVDS logica. Le soglie logiche e le oscillazioni di tensione di ogni circuito logico sono diverse. Tuttavia, queste diverse soglie logiche e oscillazioni di tensione devono essere progettate insieme su un circuito stampato PCB. Qui, è possibile padroneggiare strategie e tecniche di successo analizzando accuratamente il layout e il design del cablaggio di circuiti stampati PCB ad alta densità, ad alte prestazioni e a segnale misto.

Base di cablaggio del circuito di segnale ibrido

Quando i circuiti digitali e analogici condividono gli stessi componenti sulla stessa scheda, il layout e il cablaggio del circuito devono essere metodici.

Nella progettazione del circuito stampato a segnale misto, ci sono requisiti speciali per il cablaggio di alimentazione e la separazione del rumore analogico e del rumore del circuito digitale per evitare l'accoppiamento del rumore, che aumenta la complessità del layout e del cablaggio. I requisiti speciali per le linee di trasmissione di potenza e il requisito di isolare l'accoppiamento del rumore tra circuiti analogici e digitali complicano ulteriormente il layout e il cablaggio dei circuiti stampati a segnale misto.

Se l'alimentazione dell'amplificatore analogico nel convertitore A/D è collegata all'alimentazione digitale del convertitore A/D, è probabile che si verifichi l'interazione tra la parte analogica e la parte digitale del circuito. Forse lo schema di layout deve mescolare il cablaggio dei circuiti digitali e analogici a causa della posizione del connettore di ingresso/uscita.

Prima di layout e cablaggio, gli ingegneri devono comprendere le debolezze di base del layout e dello schema di cablaggio. Anche con giudizi falsi, la maggior parte degli ingegneri tende a utilizzare le informazioni di layout e cablaggio per identificare potenziali impatti elettrici.

Layout e cablaggio di moderni circuiti stampati a segnale misto

Quanto segue descrive il layout e la tecnologia di cablaggio dei circuiti stampati a segnale misto attraverso la progettazione di schede di interfaccia OC48. OC48 sta per Optical Carrier Standard 48, che è fondamentalmente orientato alla comunicazione ottica seriale 2.5GB. È uno degli standard di comunicazione ottica ad alta capacità nelle moderne apparecchiature di comunicazione. La scheda di interfaccia OC48 contiene diversi problemi tipici di layout e cablaggio per schede PCB a segnale misto. Il layout e il processo di cablaggio indicheranno l'ordine e i passaggi per risolvere lo schema di layout per i circuiti stampati PCB a segnale misto.

La scheda OC48 contiene un ricetrasmettitore che converte segnali ottici e analogici in entrambe le direzioni. Processore digitale di segnale analogico di ingresso o uscita che viene convertito da un DSP a un livello logico digitale per connettersi a un microprocessore, un gate array programmabile e un circuito di interfaccia di sistema di un DSP e un microprocessore su una scheda OC48. Sono inoltre integrati loop separati a blocco di fase, filtri di alimentazione e sorgenti locali di tensione di riferimento.

Tra questi, il microprocessore è un dispositivo multi-potenza, l'alimentazione principale è 2V, l'alimentazione del segnale I/O 3.3V è condivisa da altri dispositivi digitali sulla scheda. Una sorgente di clock digitale stand-alone fornisce orologi per OC48I/O, microprocessori e I/O di sistema.

Dopo aver controllato il layout e i requisiti di cablaggio di diversi blocchi di circuito funzionali, si raccomanda preliminarmente di utilizzare schede a 12 strati, come mostrato nella Figura 3. La configurazione degli strati microstrip e stripline può ridurre in modo sicuro l'accoppiamento degli strati adiacenti e migliorare il controllo dell'impedenza. La messa a terra tra Layer 1 e Layer 2 isola il cablaggio di sorgenti di riferimento analogiche sensibili, core CPU e alimentatori a filtro PLL dal microprocessore e dai dispositivi DSP nel Layer 1. I livelli di alimentazione e connessione appaiono sempre in coppia, proprio come sulla scheda OC48 per condividere il livello di alimentazione a 3,3V. Ciò ridurrà l'impedenza tra l'alimentazione elettrica e il terreno, riducendo così il rumore sul segnale di alimentazione.

Per evitare linee di clock digitali e linee di segnale analogico ad alta frequenza vicino allo strato di potenza, altrimenti, il rumore del segnale di alimentazione sarà accoppiato al segnale analogico sensibile.

Per soddisfare i requisiti del cablaggio del segnale digitale, si dovrebbe prestare attenzione all'uso di alimentatori e aperture divise in strati di messa a terra analogici, in particolare alle estremità di ingresso e uscita dei dispositivi di segnale ibridi. Viaggiare attraverso un'apertura nello strato di segnale adiacente può causare impedenza discontinua e cicli di linea di trasmissione scadenti. Tutti questi causano problemi di qualità del segnale, tempistica e EMI.

A volte aggiungere più strati di messa a terra o utilizzare più strati periferici per l'alimentazione locale o lo strato di messa a terra sotto un dispositivo può rimuovere le aperture ed evitare questi problemi. Sulla scheda di interfaccia OC48 vengono utilizzati più strati di messa a terra. Mantenere gli strati di apertura e cablaggio impilati simmetricamente evita inceppamenti e semplifica il processo di fabbricazione. Poiché 1 oncia di lamiera rivestita di rame può resistere ad alta corrente, 1 oncia di lamiera rivestita di rame viene utilizzata per lo strato di alimentazione elettrica a 3,3V e il corrispondente strato di messa a terra e 0,5 oncia di lamiera rivestita di rame può essere utilizzata per altri strati, che può ridurre la fluttuazione di tensione causata da alta corrente transitoria o durante il periodo di picco.

Se si sta progettando un sistema complesso dal piano terra in su, è necessario utilizzare schede di 0,093 pollici e 0,100 pollici di spessore per sostenere lo strato di cablaggio e lo strato di isolamento del suolo. Lo spessore della carta deve anche essere regolato in base alle dimensioni caratteristiche del cablaggio dei cuscinetti e dei fori passanti in modo che il rapporto tra il diametro del foro e lo spessore della carta finita non superi il rapporto larghezza-altezza dei fori metallizzati forniti dal produttore.

Se si desidera progettare un prodotto commerciale a basso costo e ad alta resa con un numero minimo di strati di cablaggio, considerare attentamente i dettagli di cablaggio di tutte le fonti di alimentazione speciali sul circuito stampato a segnale misto prima di posare o cablare. Chiedere al produttore target di rivedere il piano stratificato iniziale prima di iniziare il layout e il cablaggio. Fondamentalmente gli strati si basano sullo spessore del prodotto finito, il numero di strati, il peso del rame, l'impedenza (con tolleranza) e la dimensione minima dei pad e fori passanti, e il produttore dovrebbe fare una raccomandazione scritta per la stratificazione.

Si raccomanda di includere tutte le configurazioni di striplines ad impedenza controllata e linee microstrip. Considera di combinare le tue previsioni di impedenza con quelle del produttore di circuiti stampati PCB. Queste previsioni di impedenza possono quindi essere utilizzate per convalidare le caratteristiche di cablaggio del segnale nello strumento di simulazione utilizzato per sviluppare regole di cablaggio CAD.