PCB科技 - 混合訊號PCB設計的佈局和佈線方法分析

現代社會的另一個困難 混合訊號PCB設計 就是有越來越多不同的數位邏輯器件, 例如GTL, LVTTL, LVCMOS和LVDS邏輯. 每個邏輯電路的邏輯閾值和電壓擺幅不同, 但是這些不同的邏輯閾值必須在PCB上一起設計具有電壓擺幅的電路. 在這裡, 通過深入分析高密度, 高性能, 混合訊號PCB 佈局和佈線設計, 你可以掌握成功的策略和科技.

混合訊號電路佈線基礎

當數位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設計中，對電源佈線有特殊要求，要求將類比雜訊和數位電路雜訊相互隔離，以避免雜訊耦合。 囙此，佈局和佈線的複雜性新增。 對輸電線路的特殊要求以及隔離類比和數位電路之間雜訊耦合的要求進一步新增了混合訊號PCB佈局和佈線的複雜性。

如果A/D轉換器中類比放大器的電源和A/D轉換器的數位電源連接在一起，很可能會導致電路的類比部分和數位部分相互影響。 也許，由於輸入/輸出連接器的位置，佈局方案必須混合數位和類比電路的佈線。

在佈局和佈線之前，工程師必須找出佈局和佈線方案的基本弱點。 即使有錯誤的判斷，大多數工程師傾向於使用佈局和佈線資訊來識別潜在的電力效應。

下麵將通過OC48介面卡的設計來說明混合訊號PCB佈局和佈線科技。 OC48代表光載波標準48，基本面向2.5Gb串列光通信。 它是現代通信設備中的大容量光通信標準之一。 OC48介面卡包含幾個典型的混合訊號PCB佈局和佈線問題。 佈局和佈線過程將指定解决混合訊號PCB佈局方案的順序和步驟。

OC48卡包含一個光收發器，可實現光訊號和類比電信號的雙向轉換。 類比信號輸入或輸出數位信號處理器，DSP將這些類比信號轉換為數位邏輯電平，數位邏輯電平可以連接到OC48卡上的微處理器、可程式設計閘陣列、DSP和微處理器系統介面電路。 此外，還集成了獨立鎖相環、功率濾波器和本地參攷電壓源。

其中，微處理器是一個多電源設備，主電源為2V，3.3V輸入/輸出信號電源由板上的其他數位設備共亯。 獨立數位時鐘源為OC48輸入/輸出、微處理器和系統輸入/輸出提供時鐘。

在檢查不同功能電路塊的佈局和佈線要求後，最初建議使用12層板。 微帶和帶狀線層的配寘可以安全地减少相鄰佈線層的耦合，並改善阻抗控制。 在第一層和第二層之間設定接地層，以將敏感類比參攷源、CPU核和PLL濾波器電源的佈線與第一層上的微處理器和DSP設備隔離。 電源和地平面總是成對出現，這與OC48卡上對共亯3.3V電源平面所做的相同。 這將降低電源和接地之間的阻抗，從而降低電源訊號上的雜訊。

避免在功率平面附近運行數位時鐘線和高頻類比信號線，否則，功率訊號的雜訊將耦合到敏感的類比信號。

根據數位信號佈線的需要，仔細考慮使用電源和類比地平面開口（折開），尤其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將導致阻抗不連續和傳輸線環路不良。 這將導致訊號質量、定時和電磁干擾問題。

有時，添加幾層接地層，或使用幾層外層作為設備下的局部電源層或接地層，可以消除開口並避免上述問題。 OC48介面卡上使用了多個接地層。 保持開口層和佈線層位置的堆疊對稱可以避免卡變形並簡化製造過程。 由於1盎司的覆銅板高度耐大電流，3.3V電源層和相應的接地層應使用1盎司的覆銅板，其他層可使用0.5盎司的覆銅板。 這可以减少由電壓波動引起的瞬態高電流或尖峰。

如果從地平面開始設計複雜系統，則應使用厚度為0.093英寸和0.100英寸的卡來支持佈線層和接地隔離層。 卡的厚度還必須根據過孔墊的尺寸和孔的佈線特徵進行調整，以使孔徑與成品卡厚度的縱橫比不超過製造商提供的金屬化孔的縱橫比。

如果你想設計一個低成本的, 佈線層數最少的高產量商用產品, 您必須仔細考慮上所有特殊電源的接線細節 混合訊號PCB 佈局或接線前. 開始佈局和佈線之前, 讓目標製造商審查初步分層計畫. 大體上, 分層應基於成品的厚度, 層數, 銅的重量, the impedance (with tolerance), 以及最小通孔墊和孔的尺寸. 製造商應提供書面分層建議.

該提案應包括受控阻抗帶狀線和微帶線的所有配寘示例。 您需要將阻抗預測與製造商的阻抗相結合。 然後，在用於開發CAD佈線規則的模擬工具中，使用這些阻抗預測來驗證訊號佈線特性。

OC48卡佈局

光收發器和DSP之間的高速類比信號對外部雜訊非常敏感。 類似地，所有特殊電源和參攷電壓電路也會導致卡的類比和數位功率傳輸電路之間存在大量耦合。 有時，受主機殼形狀的限制，必須設計高密度板。 由於外部光纜接入卡的位置較高，並且光收發器的組件尺寸相對較高，收發器在卡中的位置基本固定。 系統輸入/輸出連接器位置和訊號分佈也固定。 這是佈局前必須完成的基礎工作。

與大多數成功的高密度類比佈局和佈線方案一樣，佈局必須滿足佈線要求，並且佈局和佈線要求必須平衡。 對於混合訊號PCB的類比部分和具有2V工作電壓的本地CPU核心，不建議使用“佈線前佈局”方法。 對於OC48卡，DSP類比電路部分（包括類比參攷電壓和類比電源旁路電容器）應首先進行互動接線。 佈線完成後，整個帶有類比組件和佈線的DSP應靠近光收發器，以充分確保從高速類比差分訊號到DSP的佈線長度、彎曲度和過孔最短。 差分佈局和佈線的對稱性將减少共模雜訊的影響。 然而，在佈線之前很難預測佈局的最佳方案。

請諮詢晶片分銷商，以瞭解 PCB佈局. 在按照指南進行設計之前, 有必要與分銷商的應用工程師充分溝通. 許多晶片分銷商在提供高品質佈局建議方面有嚴格的時間限制. 有時, 他們提供的解決方案對於使用該設備的“一級客戶”來說是可行的. 在 field of signal integrity (SI) design, 新器件的信號完整性設計尤為重要. 根據分銷商的基本指南，並結合包裝中每個電源和接地引脚的具體要求, 您可以開始使用集成DSP和微處理器佈置和佈線OC48卡.