Thiết kế điện tử - Làm thế nào để thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp?

Hoạt động của mạch mô phỏng bảng mạch PCB phụ thuộc vào dòng điện và điện áp thay đổi liên tục. Hoạt động của mạch kỹ thuật số phụ thuộc vào việc phát hiện mức cao hoặc thấp tại máy thu dựa trên mức điện áp hoặc ngưỡng được xác định trước, tương đương với "đúng" hoặc "sai" để đánh giá trạng thái logic. Giữa mức cao và thấp của mạch kỹ thuật số tồn tại một khu vực "xám", đôi khi thể hiện các hiệu ứng tương tự, chẳng hạn như quá mức và phản xạ vòng lặp, khi tín hiệu kỹ thuật số nhảy đủ nhanh từ mức thấp đến mức cao (trạng thái). Khái niệm về bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp là mơ hồ đối với thiết kế bảng hiện đại vì các mạch tương tự và hiệu ứng tương tự tồn tại ngay cả trong các thiết bị "kỹ thuật số" thuần túy. Do đó, khi bắt đầu thiết kế, các hiệu ứng mô phỏng phải được mô phỏng để đạt được phân bổ chuỗi thời gian nghiêm ngặt một cách đáng tin cậy. Trên thực tế, ngoài độ tin cậy mà các sản phẩm truyền thông phải hoạt động không gặp sự cố trong nhiều năm, hiệu ứng mô phỏng là đặc biệt cần thiết trong các sản phẩm tiêu dùng hiệu suất cao/chi phí thấp được sản xuất hàng loạt.

Một khó khăn khác với thiết kế bảng mạch PCB tín hiệu lai hiện đại là ngày càng có nhiều thiết bị với logic kỹ thuật số khác nhau như GTL, LVTTL, LVCMOS và LVDS logic. Ngưỡng logic và dao động điện áp của mỗi mạch logic là khác nhau. Tuy nhiên, các ngưỡng logic khác nhau và dao động điện áp phải được thiết kế cùng nhau trên bảng mạch PCB. Ở đây, bạn có thể nắm vững các chiến lược và kỹ thuật thành công bằng cách phân tích sâu về bố cục và thiết kế dây của bảng mạch PCB có mật độ cao, hiệu suất cao, tín hiệu hỗn hợp.

Cơ sở kết nối mạch tín hiệu hybrid

Khi các mạch kỹ thuật số và analog chia sẻ cùng một thành phần trên cùng một bảng, bố cục và hệ thống dây của mạch phải có phương pháp.

Trong thiết kế bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp, có những yêu cầu đặc biệt đối với hệ thống dây điện và tách tiếng ồn tương tự và tiếng ồn mạch kỹ thuật số để tránh khớp nối tiếng ồn, làm tăng độ phức tạp của bố cục và hệ thống dây điện. Các yêu cầu đặc biệt đối với đường truyền nguồn và yêu cầu cách ly khớp nối tiếng ồn giữa các mạch analog và kỹ thuật số, làm cho việc bố trí và định tuyến bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp trở nên phức tạp hơn.

Nếu nguồn điện của bộ khuếch đại analog trong bộ chuyển đổi A/D được kết nối với nguồn điện kỹ thuật số của bộ chuyển đổi A/D, có khả năng xảy ra tương tác giữa phần analog và phần kỹ thuật số của mạch. Do vị trí của đầu nối đầu vào/đầu ra, sơ đồ bố trí có thể phải kết hợp hệ thống dây điện của các mạch kỹ thuật số và analog.

Trước khi tiến hành bố trí và định tuyến, các kỹ sư cần hiểu những điểm yếu cơ bản của bố cục và sơ đồ định tuyến. Ngay cả khi phán đoán sai, hầu hết các kỹ sư có xu hướng sử dụng thông tin bố trí và hệ thống dây điện để xác định các hiệu ứng điện tiềm ẩn.

Bố trí và định tuyến của bảng mạch PCB tín hiệu lai hiện đại

Sau đây thông qua thiết kế thẻ giao diện OC48, giới thiệu bố cục và công nghệ định tuyến của bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp. OC48 là viết tắt của Optical Carrier Standard 48, về cơ bản là truyền thông quang nối tiếp 2,5GB. Nó là một trong những tiêu chuẩn truyền thông quang dung lượng cao trong các thiết bị truyền thông hiện đại. Thẻ giao diện OC48 chứa một số bố cục điển hình và các vấn đề dây với bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp. Quá trình bố trí và định tuyến sẽ chỉ ra thứ tự và các bước để giải quyết sơ đồ bố trí bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp.

Thẻ OC48 chứa một bộ thu phát để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng và tín hiệu analog theo cả hai hướng. Một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đầu vào hoặc đầu ra tín hiệu tương tự, được chuyển đổi từ DSP sang mức logic kỹ thuật số, được kết nối với bộ vi xử lý, mảng cổng có thể lập trình và mạch giao diện hệ thống của DSP và bộ vi xử lý trên thẻ OC48. Một vòng khóa pha độc lập, bộ lọc công suất và nguồn điện áp tham chiếu cục bộ cũng được tích hợp.

Trong số đó, bộ vi xử lý là thiết bị đa nguồn, nguồn điện chính là 2V và nguồn tín hiệu I/O 3.3V được chia sẻ bởi các thiết bị kỹ thuật số khác trên bo mạch. Một nguồn đồng hồ kỹ thuật số độc lập cung cấp đồng hồ cho OC48I/O, bộ vi xử lý và hệ thống I/O.

Sau khi kiểm tra bố cục và yêu cầu định tuyến của các khối mạch chức năng khác nhau, đề xuất ban đầu là sử dụng bảng 12 lớp như trong Hình 3. Cấu hình của các lớp microband và ribbon có thể làm giảm sự kết hợp của các lớp liền kề một cách an toàn và cải thiện kiểm soát trở kháng. Việc nối đất giữa các lớp 1 và 2 cách ly hệ thống cáp từ các nguồn tham chiếu analog nhạy cảm, lõi CPU và nguồn bộ lọc PLL khỏi các bộ vi xử lý và thiết bị DSP trong lớp 1. Lớp nguồn và lớp kết nối luôn xuất hiện theo cặp, giống như chúng chia sẻ lớp nguồn 3.3V trên thẻ OC48. Điều này sẽ làm giảm trở kháng giữa nguồn điện và mặt đất, do đó làm giảm tiếng ồn trên tín hiệu nguồn điện.

Để tránh đường đồng hồ kỹ thuật số và đường tín hiệu analog tần số cao ở gần lớp nguồn, nếu không, tiếng ồn của tín hiệu nguồn sẽ được ghép nối với tín hiệu analog nhạy cảm.

Để đáp ứng các yêu cầu về hệ thống dây tín hiệu kỹ thuật số, cần xem xét cẩn thận việc sử dụng nguồn điện và lỗ mở trong hệ thống tương tự, đặc biệt là ở đầu vào và đầu ra của thiết bị tín hiệu hỗn hợp. Đi qua các lỗ trong lớp tín hiệu liền kề có thể dẫn đến trở kháng không liên tục và vòng lặp đường truyền kém. Những điều này có thể gây ra các vấn đề về chất lượng tín hiệu, thời gian và EMI.

Đôi khi, việc thêm một số hình thành dưới một thiết bị hoặc sử dụng một số lớp ngoại vi làm nguồn điện cục bộ hoặc hình thành có thể loại bỏ các lỗ hổng và tránh những vấn đề này. Nhiều tầng nối được sử dụng trên thẻ giao diện OC48. Giữ cho các lớp mở và dây được xếp chồng lên nhau tránh tắc nghẽn và đơn giản hóa quá trình sản xuất. Vì 1 ounce tấm đồng có thể chịu được dòng điện cao, 1 ounce tấm đồng được sử dụng cho lớp điện 3.3V và các tầng tương ứng và 0.5 ounce tấm đồng được sử dụng cho các lớp khác, có thể làm giảm biến động điện áp gây ra bởi dòng điện cao thoáng qua hoặc giờ cao điểm.

Nếu một hệ thống phức tạp được thiết kế từ tầng trệt, các thẻ dày 0,093 inch và 0,100 inch nên được sử dụng để hỗ trợ các lớp cáp và cách ly mặt đất. Độ dày của thẻ cũng phải được điều chỉnh theo kích thước đặc tính dây của miếng đệm và lỗ thông qua lỗ để tỷ lệ khẩu độ với độ dày thẻ thành phẩm không vượt quá tỷ lệ chiều rộng và chiều cao của lỗ kim loại do nhà sản xuất cung cấp.

Nếu bạn muốn thiết kế một sản phẩm thương mại có chi phí thấp, năng suất cao với số lượng lớp dây tối thiểu, hãy xem xét cẩn thận các chi tiết dây của tất cả các nguồn điện đặc biệt trên bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp trước khi bố trí hoặc dây điện. Hãy để nhà sản xuất mục tiêu xem xét kế hoạch phân tầng ban đầu trước khi bắt đầu bố trí và dây điện. Về cơ bản, phân tầng dựa trên độ dày của sản phẩm hoàn chỉnh, số lượng lớp, trọng lượng của đồng, trở kháng (với dung sai) và kích thước tối thiểu của miếng đệm và lỗ thông qua lỗ, nhà sản xuất nên đưa ra khuyến nghị bằng văn bản về phân tầng.

Khuyến nghị bao gồm tất cả các cấu hình để kiểm soát các dải trở kháng và microband. Cân nhắc kết hợp dự đoán trở kháng của bạn với dự đoán của nhà sản xuất bảng mạch PCB. Các dự đoán trở kháng này sau đó có thể được sử dụng để xác minh các đặc tính cáp tín hiệu trong các công cụ mô phỏng được sử dụng để phát triển các quy tắc cáp CAD.