電路設計 - 數模混合PCB版圖設計

數模混合 PCB佈局設計
1. Understanding the basic concepts of digital-analog hybrid design
Many products include mixed digital-analog PCB設計, 不同的訊號具有不同的抗干擾能力. 在互聯設計過程中, 為了保證最終產品的名額要求，必須合理控制不同訊號之間的串擾.
理解以下基本概念非常重要. 掌握數模混合設計的基本概念將有助於理解稍後製定的嚴格佈局和佈線設計規則, 囙此，在設計數模混合時，終端產品不會輕易讓利. 實施重要的約束規則. 它有助於靈活有效地處理數位類比中可能遇到的串擾問題 混合動力設計。

1. The important difference between analog signal and digital signal in anti-interference ability
The digital signal level has a strong anti-interference ability, 而類比信號抗干擾能力較差.
例如, 3V電平數位信號甚至可以承受0.3V串擾訊號，不會影響邏輯狀態. 然而, 在類比信號領域, 有些訊號非常微弱. 例如, GSM手機的接收靈敏度可達到-110dBm的名額, 這只相當於0的正弦波的有效值.7紫外線. 即使在LNA前端接收到uV級的帶內干擾雜訊, 這足以大大降低基站的接收靈敏度. 這種輕微的干擾可能來自數位控制訊號線或電源接地線上的小譟音.
從系統的角度來看, 數位信號通常僅在板上或幀中傳輸. 例如, 記憶體匯流排訊號, 電源控制訊號, 等., 只要確保從發送端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態的判斷. 類比信號需要經歷一系列過程，如調製, 頻率轉換, 放大, 傳輸, 空間傳播, 接待, 在恢復之前進行解調. 在此過程中, 雜訊持續下降至訊號. 從系統角度來看, 為了正確解調，必須確保最終信噪比滿足要求. 最大的干擾來自空間傳播的衰减和雜訊. 為了實現更好的通信效能, 必須盡可能减少板上互連引入的串擾.
因此, 可以認為，類比信號的串擾要求比數位信號的串擾要求高幾十倍, 甚至可能達到數萬倍.

2. High-precision ADC and DAC circuits
In an ideal situation, the relationship between the signal-to-noise ratio of linear ADC and DAC circuits and the number of conversion bits is:
SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3*2n)]=6.02n+1.76 dB
For 14-bit linear ADCs and DACs, if the least significant bit (LSB) is valid, 理論信噪比可計算為86dBc. 與數位電路約20dBc的串擾要求相比, 高精度14比特線性ADC和DAC的雜訊要求至少比數位信號高1000倍. 當然, 如果最低有效位數只需要11比特, 可以適當降低串擾要求, 但它仍然遠遠高於對數位信號的要求.
注釋上的上述兩種情况表明，數模混合單板中的類比電路非常容易受到干擾, 會影響信噪比等名額. 因此, 在數模混合單板過程中 PCB設計, 必須對佈局和佈線提出非常高的要求.

3. Digital signal is a strong source of interference to analog signal
The level of the digital signal is very high compared to the analog signal, 數位信號含有豐富的諧波頻率, 囙此，數位信號本身是類比信號的强幹擾源. 特別地, 大電流時鐘訊號和開關電源是數模混合設計中需要注意的强幹擾源.
4. The fundamental purpose of digital-analog hybrid interconnection design
We can understand the 數位—類比 design problem in this way. 對於數位電路, 我們遵循數位電路的設計規則. 在數位電路領域, 允許較大的干擾, 只要不影響系統功能和外部emc名額的實施.
我們這裡所說的“大”是相對於類比電路的. 對於數位電路, 我們沒有必要也不可能控制類似串擾的類比電路的存在. 對於類比電路, 我們必須遵守類比電路的設計規則, 類比電路區允許的干擾比數位電路區小得多.
數模混合互連設計的目的是通過合理的佈局，確保數位信號的干擾只存在於數位信號區域, 裝電線, 遮罩, 過濾, 和供電處.

我們需要關注的包括干擾源, 敏感電路, 和干擾路徑. 以下將從這3個方面描述所採用的佈局和佈線原則. 成功的數模混合單板設計必須仔細關注整個過程中的每個步驟和每個細節. 這意味著必須在設計開始時進行徹底而仔細的規劃, 每個設計步驟都必須仔細規劃. 全面、持續地評估工作進度. 必須仔細檢查和驗證佈局和佈線，以確保完全符合佈局和佈線規則. 否則, 如果訊號線佈線不當，則會完全損壞原本非常好的電路板.
規則已經過時了. 只有深入理解規則，才能確保正確使用規則，完成優秀的設計.
第二, the circuit type distinction
Before explaining the layout rules of digital-analog hybrid design, 現在我們區分干擾源, 端子板上的敏感電路和干擾路徑. 瞭解這些干擾源和敏感電路可以幫助我們正確製定佈局和佈線計畫. 理解至關重要.
1. Analog circuit
For end products, 類比電路包括所有射頻電路, 射頻電源, 射頻控制電路, 數位—類比 轉換電路s, 和音訊電路. 上述類比電路均為敏感電路. 其中, sensitive circuits that need special attention include frequency termination circuits (including local oscillator signals, frequency synthesis circuit power and control signals), 接收前端電路, 和音訊電路.
2. Sources of interference
Interference sources include all digital circuits, high-power radio frequency circuits (power amplifiers, antennas and other high-power radio frequency circuits). 其中, 需要特別注意的干擾源包括時鐘電路, 開關電源, 大電流電力線, 功率放大器電路, 和天線電路. 本規範射頻設計部分分析了功率放大器和天線等射頻訊號的干擾.
3. Interference path
The interference paths that need to be paid attention to for digital-analog hybrid design include: space radiation, power ground (plane or wiring), digital-to-analog 轉換電路s, 類比電路的各種控制訊號.
(1) Space radiation: The circuits that are close to each other will generate crosstalk through radiation, 這與數位信號串擾的概念相同, 但應該注意的是，類比信號可以承受的串擾比數位信號的串擾小得多, 囙此，有必要在佈局階段控制串擾. 减少空間輻射的方法通常是延長佈局距離並使用遮罩盒.
(2) Power ground: The power ground is a common loop between digital and analog circuits, 囙此，干擾訊號可通過電源接地導體傳導至敏感電路. 控制電源地串擾的方法是合理使用濾波元件和電源地劃分.
(3) Digital-to-analog 轉換電路：它是類比和數位信號之間的介面. 如果佈局或接線處理不當, 如數模電路佈局不清，交錯佈線, 可能會引起串擾.
(4) Analog control signal: The ideal analog device should be that the control signal and the analog circuit are isolated inside the device, 控制訊號只需確保正確的邏輯電平. 然而, 設備通常無法做到這一點, 並且控制訊號上的干擾數可以直接耦合到類比電路. 解決方案是儘量減少類比電路控制訊號的干擾，合理使用濾波元件.