電路設計 - 如何設計混合訊號PCB？

PCB電路板類比電路的操作取決於連續變化的電流和電壓。 數位電路的操作依賴於基於預定義的電壓電平或閾值在接收器處檢測高電平或低電平，這相當於判斷邏輯狀態的“真”或“假”。 在數位電路的高電平和低電平之間，存在一個“灰色”區域，當數位信號從低電平足够快地跳到高電平（狀態）時，數位電路有時會表現出類比效應，如過沖和環回反射。 混合訊號PCB電路板的概念對於現代板設計來說是模糊的，因為即使在純“數位”設備中也存在類比電路和類比效果。 囙此，在設計之初，為了可靠地實現嚴格的時間序列分配，必須類比類比效果。 事實上，除了通信產品必須在幾年內無故障工作的可靠性之外，在大規模生產的低成本/高性能消費品中，還特別需要類比效果。

現代混合訊號PCB電路板設計的另一個困難是，具有不同數位邏輯的器件越來越多，如GTL、LVTTL、LVCMOS和LVDS邏輯。 每個邏輯電路的邏輯閾值和電壓擺動是不同的。 然而，這些不同的邏輯閾值和電壓波動必須在PCB電路板上一起設計。 在這裡，通過深入分析高密度、高性能、混合訊號PCB電路板的佈局和佈線設計，您可以掌握成功的策略和科技。

混合動力訊號電路接線基座

當數位電路和類比電路在同一塊板上共亯相同的組件時，電路的佈局和佈線必須有條不紊。

在混合訊號PCB電路板設計中，對電源佈線以及類比雜訊和數位電路雜訊的分離有特殊要求，以避免雜訊耦合，這新增了佈局和佈線的複雜性。對電源傳輸線的特殊要求以及隔離類比和數位電路之間的雜訊耦合的要求，使混合訊號PCB線路板的佈局和佈線更加複雜。

如果A/D轉換器中的類比放大器的電源與A/D轉換器的數位電源相連，則電路的類比部分和數位部分之間很可能發生相互作用。 由於輸入/輸出連接器的位置，佈局方案可能必須混合數位和類比電路的佈線。

在進行佈局和佈線之前，工程師需要瞭解佈局和佈線方案的基本弱點。 即使判斷錯誤，大多數工程師也傾向於使用佈局和佈線資訊來識別潜在的電力影響。

現代混合訊號PCB電路板的佈局和佈線

下麵通過OC48介面卡的設計，介紹混合訊號PCB電路板的佈局和佈線科技。 OC48代表光載波標準48，該標準基本上面向2.5GB串列光通信。 它是現代通信設備中的高容量光通信標準之一。 OC48介面卡包含混合訊號PCB電路板的幾個典型佈局和佈線問題。 佈局和佈線過程將訓示解决混合訊號PCB電路板佈局方案的順序和步驟。

OC48卡包含一個收發器，用於雙向轉換光訊號和類比信號。 一種類比信號輸入或輸出數位信號處理器，由DSP轉換為數位邏輯電平，連接到微處理器、可程式設計閘陣列以及OC48卡上DSP和微處理器的系統介面電路。 還集成了獨立的鎖相環、功率濾波器和本地參攷電壓源。

其中，微處理器為多電源設備，主電源為2V，3.3V I/O訊號電源由板上其他數位設備共亯。 一個獨立的數位時鐘源為OC48I/O、微處理器和系統I/O提供時鐘。

在檢查了不同功能電路塊的佈局和佈線要求後，初步建議使用12層板，如圖3所示。 微帶和帶狀線層的配寘可以安全地减少相鄰層的耦合，並改善阻抗控制。 第1層和第2層之間的接地將敏感類比參攷源、CPU核心和PLL濾波器電源的佈線與第1層中的微處理器和DSP設備隔離。 電源層和連接層總是成對出現，就像它們在OC48卡上共亯3.3V電源層一樣。 這將降低電源和地之間的阻抗，從而降低電源訊號上的雜訊。

為了避免數位時鐘線和高頻類比信號線靠近電源層，否則，電源訊號的雜訊將耦合到敏感的類比信號。

為了滿足數位信號佈線的要求，應仔細考慮在類比接地層中使用電源和開口，特別是在混合訊號設備的輸入和輸出端。 穿過相鄰訊號層中的開口可能導致不連續的阻抗和較差的傳輸線環路。 這些都會導致訊號質量、定時和EMI問題。

有時，在一個設備下添加幾個接地層或使用幾個週邊層作為局部電源或接地層可以去除開口並避免這些問題。 OC48介面卡上使用了多個接地層。 保持開口層和佈線層對稱堆疊避免了堵塞並簡化了製造過程。 由於1盎司覆銅板可以承受高電流，3.3V電源層和相應的接地層使用1盎司覆銅箔，其他層使用0.5盎司覆銅板，可以减少瞬態高電流或高峰時段引起的電壓波動。

如果從底層開始設計複雜的系統，則應使用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡來支撐佈線層和接地隔離層。 卡的厚度也必須根據通孔焊盤和孔的佈線特性尺寸進行調整，以使孔徑與成品卡厚度的比率不超過製造商提供的金屬化孔的寬高比。

如果你想設計一個低成本、高收益、佈線層數最少的商業產品，在佈局或佈線之前，請仔細考慮混合訊號PCB電路板上所有特殊電源的佈線細節。在開始佈局和佈線之前，讓目標製造商審查最初的分層計畫。基本上，分層是基於成品的厚度、層數、銅的重量、阻抗（帶公差）以及通孔焊盤和孔的最小尺寸，製造商應就分層提出書面建議。

建議包括控制阻抗帶狀線和微帶線的所有配寘。 考慮將您的阻抗預測與PCB電路板製造商的預測相結合。 然後，這些阻抗預測可以用於驗證用於開發CAD佈線規則的類比工具中的訊號佈線特性。