PCB設(shè)計(jì)中的高速模擬布局技術(shù)
PCB設(shè)計(jì)中的高速模擬布局技術(shù)
最重要的是，員工從傳統(tǒng)辦公室環(huán)境轉(zhuǎn)移到在家工作，這表明我們真正生活在數(shù)字時(shí)代的程度。從共享的在線文檔到視頻會(huì)議，遠(yuǎn)程工作人員正在盡可能多地利用他們可以使用的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。然而，僅僅因?yàn)槲覀兌际沁@個(gè)數(shù)字時(shí)代的一部分并不意味著我們生活在一個(gè)數(shù)字世界中。
我們的世界充滿了必須由模擬電子設(shè)備檢測(cè)和捕捉的景象和聲音。然后必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以供計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理，然后才能跨不同網(wǎng)絡(luò)以電子方式共享。轉(zhuǎn)換這些格式的工作屬于 PCB 中的混合信號(hào)電路，而且在滿足當(dāng)今的電子要求方面，他們的工作遙遙領(lǐng)先。以下是一些高速模擬布局技術(shù)，可以幫助混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)在其任務(wù)中取得成功。
混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)
從我們所見所聞到溫度和運(yùn)動(dòng)，不同電子設(shè)備捕獲的感官事件的數(shù)量已經(jīng)變得無法計(jì)算。這些動(dòng)作或事件中的每一個(gè)都被捕獲為模擬信號(hào)，然后必須將其轉(zhuǎn)換為在計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理。這種轉(zhuǎn)換的工作屬于模擬到數(shù)字的是在混合信號(hào)電路板，這些系統(tǒng)中使用的轉(zhuǎn)換器。
模擬信號(hào)將根據(jù)其來源的幅度而變化。例如，相機(jī)或麥克風(fēng)檢測(cè)到的光量或聲音量會(huì)改變所捕獲信號(hào)的幅度。然而，模擬電路依賴于其信號(hào)的連續(xù)電壓或電流，并依賴于在其傳輸和接收過程中的精確控制以正確解釋。相比之下，數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)值；開和關(guān)。這種結(jié)構(gòu)允許在傳輸方式上有更大的誤差幅度，使它們的設(shè)計(jì)比模擬同類產(chǎn)品更容易。
PCB設(shè)計(jì)人員必須在布局期間正確分離模擬和數(shù)字電路，以防止這兩種信號(hào)類型相互影響。隨著我們的繼續(xù)，我們將研究執(zhí)行此操作的不同方法。
模擬布局需要緊密的組件放置
高速模擬布局技術(shù)的元件布局和走線布線
模擬和數(shù)字電路的最終成功很大程度上取決于 PCB設(shè)計(jì)中層堆疊的配置情況。高速信號(hào)需要相鄰層上的參考平面作為信號(hào)返回路徑，以最大限度地減少噪聲并提高信號(hào)完整性。因此，板層堆疊的配置需要在考慮一般布局的情況下完成，以確保在適當(dāng)?shù)膶由嫌凶銐虻牟季€空間。設(shè)計(jì)人員可以通過依賴高速模擬布局技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，例如按照組件的功能和電路塊將組件組合在一起，以創(chuàng)建一個(gè)平面圖，作為實(shí)際組件放置的模板。該平面圖需要在功能分區(qū)中將數(shù)字和模擬電路相互隔離，而組間的互連則是為了最直接的路由而安排的。
平面圖完成后，設(shè)計(jì)人員可以直接進(jìn)入組件布局。請(qǐng)記住，目標(biāo)是使布線盡可能短和直接，因此必須相應(yīng)地配置部件的位置。以下是一些使用模擬電路時(shí)需要牢記的高速模擬布局技術(shù)和布局提示：
放置零件以在彼此之間進(jìn)行最直接的布線。
不要將部件放置在您將被迫通過模擬電路路由數(shù)字信號(hào)的地方，反之亦然。
盡可能保持組件放置緊密，以減少模擬走線的長(zhǎng)度。
請(qǐng)記住根據(jù)組裝商推薦的可制造性設(shè)計(jì)(DFM) 標(biāo)準(zhǔn)放置零件。
讓噪聲較大的部件（如 ADC）遠(yuǎn)離電路板邊緣并位于更中心的位置。
放置元件然后布線是許多 PCB設(shè)計(jì)人員使用的工作流程；然而，有時(shí)同時(shí)布局和布線對(duì)模擬布局很有幫助。無論哪種方式，這里都有一些關(guān)于模擬跟蹤路由的建議：
保持跟蹤路由盡可能短和直接。您已經(jīng)完成的緊密組件放置應(yīng)該已經(jīng)促進(jìn)了這種布線，并將有助于減少阻抗不匹配和信號(hào)反射的機(jī)會(huì)。
布線模擬電路時(shí)使用更寬的走線寬度。
盡可能將模擬走線限制在單個(gè)板層內(nèi)。過孔會(huì)產(chǎn)生電感，并且在帶有過孔的層之間轉(zhuǎn)換的次數(shù)越少越好。
不要將模擬走線穿過數(shù)字電路區(qū)域或數(shù)字走線穿過模擬區(qū)域。
盡可能將模擬和數(shù)字路由限制在其電路區(qū)域內(nèi)。這將進(jìn)一步減少混合信號(hào)串?dāng)_的機(jī)會(huì)。
路由模擬和數(shù)字信號(hào)的最后一條規(guī)則是永遠(yuǎn)不要與走線交叉參考平面的阻塞區(qū)域。由于信號(hào)返回路徑不佳，在參考平面上通過這些區(qū)域布線會(huì)產(chǎn)生噪聲。
通過該區(qū)域在相鄰層上布線可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)返回路徑受阻
模擬布局的供電網(wǎng)絡(luò)建議
您設(shè)計(jì)的模擬和數(shù)字組件都需要向它們提供干凈的電源，但高速 PCB 經(jīng)常受到 PDN 的許多問題的困擾，例如瞬態(tài)振鈴。這通常通過在設(shè)計(jì)中包含大量去耦電容器并通過在疊層中放置彼此相鄰的接地層和電壓層來提供高層間電容來解決。再次重申，如何配置板層堆疊對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。
您如何在您的設(shè)計(jì)中布置地平面對(duì)于電路板的操作也很重要。正如我們之前提到的，信號(hào)不應(yīng)該穿過接地層斷開的區(qū)域。無論是平面間隙還是密集通孔區(qū)域，如上圖所示，接地平面的中斷可能會(huì)阻塞信號(hào)的清晰返回路徑，迫使其在返回源的途中四處游蕩。這種漂移是 EMI 和設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性降低的主要原因之一。為避免這些問題，請(qǐng)確保您的信號(hào)在參考平面上具有清晰的返回路徑，以獲得最佳電路板性能。如本文頂部的視頻所示，設(shè)計(jì)工具（如 Cadence 的 Allegro PCB 編輯器）具有幫助設(shè)計(jì)信號(hào)返回路徑的高級(jí)功能。
可能導(dǎo)致電路板上信號(hào)返回路徑出現(xiàn)大問題的障礙之一是分離的接地層。如果您的設(shè)計(jì)包含分割平面，請(qǐng)勿將分割線與走線布線交叉。信號(hào)的返回路徑將被完全切斷，從而造成更嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。但是，更好的計(jì)劃是根本不拆分地平面。盡管許多人認(rèn)為接地分離可以在電路的模擬和數(shù)字區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)更好的隔離，但它也會(huì)產(chǎn)生比預(yù)期更多的問題。我們已經(jīng)提到了清晰的信號(hào)返回路徑的問題，如果使用底盤接地，也有可能在各部分之間引入共模電流。取而代之的是，使用完整的接地層以及電路的模擬和數(shù)字區(qū)域分別放置和布線，對(duì)于那些必須在部分之間傳播的少數(shù)信號(hào)，您將擁有清晰的返回路徑。消除接地平面分裂可以解決許多 EMI 問題并為您提供更簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟M和數(shù)字信號(hào)會(huì)自然地圍繞其走線形成緊密的返回路徑。
顯然，對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，在 PCB布局期間需要管理許多細(xì)節(jié)。使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以為設(shè)計(jì)師提供更高水平的幫助。
Cadence Allegro 的約束管理器用于設(shè)置路由和過孔設(shè)計(jì)規(guī)則
如何使用您的 PCB CAD 工具
將元件緊密地放置在精確的空間寬度上并為模擬電路布線不同的走線寬度和間距需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。您需要確保完全設(shè)置并使用 CAD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則來控制這些約束。在上圖中，您可以看到 Allegro 中約束管理系統(tǒng)的示例，以及如何為單個(gè)元素或組件和網(wǎng)絡(luò)類別的組件間隙、跡線寬度和間距輸入不同的值。
最重要的是，員工從傳統(tǒng)辦公室環(huán)境轉(zhuǎn)移到在家工作，這表明我們真正生活在數(shù)字時(shí)代的程度。從共享的在線文檔到視頻會(huì)議，遠(yuǎn)程工作人員正在盡可能多地利用他們可以使用的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。然而，僅僅因?yàn)槲覀兌际沁@個(gè)數(shù)字時(shí)代的一部分并不意味著我們生活在一個(gè)數(shù)字世界中。
我們的世界充滿了必須由模擬電子設(shè)備檢測(cè)和捕捉的景象和聲音。然后必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以供計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理，然后才能跨不同網(wǎng)絡(luò)以電子方式共享。轉(zhuǎn)換這些格式的工作屬于 PCB 中的混合信號(hào)電路，而且在滿足當(dāng)今的電子要求方面，他們的工作遙遙領(lǐng)先。以下是一些高速模擬布局技術(shù)，可以幫助混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)在其任務(wù)中取得成功。
混合信號(hào) PCB設(shè)計(jì)
從我們所見所聞到溫度和運(yùn)動(dòng)，不同電子設(shè)備捕獲的感官事件的數(shù)量已經(jīng)變得無法計(jì)算。這些動(dòng)作或事件中的每一個(gè)都被捕獲為模擬信號(hào)，然后必須將其轉(zhuǎn)換為在計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理。這種轉(zhuǎn)換的工作屬于模擬到數(shù)字的是在混合信號(hào)電路板，這些系統(tǒng)中使用的轉(zhuǎn)換器。
模擬信號(hào)將根據(jù)其來源的幅度而變化。例如，相機(jī)或麥克風(fēng)檢測(cè)到的光量或聲音量會(huì)改變所捕獲信號(hào)的幅度。然而，模擬電路依賴于其信號(hào)的連續(xù)電壓或電流，并依賴于在其傳輸和接收過程中的精確控制以正確解釋。相比之下，數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)值；開和關(guān)。這種結(jié)構(gòu)允許在傳輸方式上有更大的誤差幅度，使它們的設(shè)計(jì)比模擬同類產(chǎn)品更容易。
PCB設(shè)計(jì)人員必須在布局期間正確分離模擬和數(shù)字電路，以防止這兩種信號(hào)類型相互影響。隨著我們的繼續(xù)，我們將研究執(zhí)行此操作的不同方法。
模擬布局需要緊密的組件放置
高速模擬布局技術(shù)的元件布局和走線布線
模擬和數(shù)字電路的最終成功很大程度上取決于 PCB設(shè)計(jì)中層堆疊的配置情況。高速信號(hào)需要相鄰層上的參考平面作為信號(hào)返回路徑，以最大限度地減少噪聲并提高信號(hào)完整性。因此，板層堆疊的配置需要在考慮一般布局的情況下完成，以確保在適當(dāng)?shù)膶由嫌凶銐虻牟季€空間。設(shè)計(jì)人員可以通過依賴高速模擬布局技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，例如按照組件的功能和電路塊將組件組合在一起，以創(chuàng)建一個(gè)平面圖，作為實(shí)際組件放置的模板。該平面圖需要在功能分區(qū)中將數(shù)字和模擬電路相互隔離，而組間的互連則是為了最直接的路由而安排的。
平面圖完成后，設(shè)計(jì)人員可以直接進(jìn)入組件布局。請(qǐng)記住，目標(biāo)是使布線盡可能短和直接，因此必須相應(yīng)地配置部件的位置。以下是一些使用模擬電路時(shí)需要牢記的高速模擬布局技術(shù)和布局提示：
放置零件以在彼此之間進(jìn)行最直接的布線。
不要將部件放置在您將被迫通過模擬電路路由數(shù)字信號(hào)的地方，反之亦然。
盡可能保持組件放置緊密，以減少模擬走線的長(zhǎng)度。
請(qǐng)記住根據(jù)組裝商推薦的可制造性設(shè)計(jì)(DFM) 標(biāo)準(zhǔn)放置零件。
讓噪聲較大的部件（如 ADC）遠(yuǎn)離電路板邊緣并位于更中心的位置。
放置元件然后布線是許多 PCB設(shè)計(jì)人員使用的工作流程；然而，有時(shí)同時(shí)布局和布線對(duì)模擬布局很有幫助。無論哪種方式，這里都有一些關(guān)于模擬跟蹤路由的建議：
保持跟蹤路由盡可能短和直接。您已經(jīng)完成的緊密組件放置應(yīng)該已經(jīng)促進(jìn)了這種布線，并將有助于減少阻抗不匹配和信號(hào)反射的機(jī)會(huì)。
布線模擬電路時(shí)使用更寬的走線寬度。
盡可能將模擬走線限制在單個(gè)板層內(nèi)。過孔會(huì)產(chǎn)生電感，并且在帶有過孔的層之間轉(zhuǎn)換的次數(shù)越少越好。
不要將模擬走線穿過數(shù)字電路區(qū)域或數(shù)字走線穿過模擬區(qū)域。
盡可能將模擬和數(shù)字路由限制在其電路區(qū)域內(nèi)。這將進(jìn)一步減少混合信號(hào)串?dāng)_的機(jī)會(huì)。
路由模擬和數(shù)字信號(hào)的最后一條規(guī)則是永遠(yuǎn)不要與走線交叉參考平面的阻塞區(qū)域。由于信號(hào)返回路徑不佳，在參考平面上通過這些區(qū)域布線會(huì)產(chǎn)生噪聲。
通過該區(qū)域在相鄰層上布線可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)返回路徑受阻
模擬布局的供電網(wǎng)絡(luò)建議
您設(shè)計(jì)的模擬和數(shù)字組件都需要向它們提供干凈的電源，但高速 PCB 經(jīng)常受到 PDN 的許多問題的困擾，例如瞬態(tài)振鈴。這通常通過在設(shè)計(jì)中包含大量去耦電容器并通過在疊層中放置彼此相鄰的接地層和電壓層來提供高層間電容來解決。再次重申，如何配置板層堆疊對(duì)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。
您如何在您的設(shè)計(jì)中布置地平面對(duì)于電路板的操作也很重要。正如我們之前提到的，信號(hào)不應(yīng)該穿過接地層斷開的區(qū)域。無論是平面間隙還是密集通孔區(qū)域，如上圖所示，接地平面的中斷可能會(huì)阻塞信號(hào)的清晰返回路徑，迫使其在返回源的途中四處游蕩。這種漂移是 EMI 和設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性降低的主要原因之一。為避免這些問題，請(qǐng)確保您的信號(hào)在參考平面上具有清晰的返回路徑，以獲得最佳電路板性能。如本文頂部的視頻所示，設(shè)計(jì)工具（如 Cadence 的 Allegro PCB 編輯器）具有幫助設(shè)計(jì)信號(hào)返回路徑的高級(jí)功能。
可能導(dǎo)致電路板上信號(hào)返回路徑出現(xiàn)大問題的障礙之一是分離的接地層。如果您的設(shè)計(jì)包含分割平面，請(qǐng)勿將分割線與走線布線交叉。信號(hào)的返回路徑將被完全切斷，從而造成更嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。但是，更好的計(jì)劃是根本不拆分地平面。盡管許多人認(rèn)為接地分離可以在電路的模擬和數(shù)字區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)更好的隔離，但它也會(huì)產(chǎn)生比預(yù)期更多的問題。我們已經(jīng)提到了清晰的信號(hào)返回路徑的問題，如果使用底盤接地，也有可能在各部分之間引入共模電流。取而代之的是，使用完整的接地層以及電路的模擬和數(shù)字區(qū)域分別放置和布線，對(duì)于那些必須在部分之間傳播的少數(shù)信號(hào)，您將擁有清晰的返回路徑。消除接地平面分裂可以解決許多 EMI 問題并為您提供更簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟M和數(shù)字信號(hào)會(huì)自然地圍繞其走線形成緊密的返回路徑。
顯然，對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，在 PCB布局期間需要管理許多細(xì)節(jié)。使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以為設(shè)計(jì)師提供更高水平的幫助。
Cadence Allegro 的約束管理器用于設(shè)置路由和過孔設(shè)計(jì)規(guī)則
如何使用您的 PCB CAD 工具
將元件緊密地放置在精確的空間寬度上并為模擬電路布線不同的走線寬度和間距需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。您需要確保完全設(shè)置并使用 CAD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則來控制這些約束。在上圖中，您可以看到 Allegro 中約束管理系統(tǒng)的示例，以及如何為單個(gè)元素或組件和網(wǎng)絡(luò)類別的組件間隙、跡線寬度和間距輸入不同的值。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
