电路板布局的混合信号 PCB设计指南
电路板布局的混合信号 PCB设计指南
一些可能是混合信号 PCB设计一部分的布线
电子产品过去由多个电路板组成，每个电路板处理不同的设计功能。深入其中一个旧系统可能会发现处理器板、电源板、音频和视频卡，甚至是风扇控制 PCB。随着对更小电子产品、更强大功能的需求以及降低制造成本的需求，这些多板系统中的许多已被一种混合信号设计所取代。
乍一看，混合信号 PCB布局与任何其他布局基本相同。必须放置零件，必须布线网络，并且必须连接电源和接地层。然而，一旦你仔细观察，你会发现如果你没有准备好，有一些独特的要求可能会给设计带来挑战。我们将在这些混合信号 PCB设计指南中列出这些要求，以帮助您进行下一个设计。
混合信号 PCB布局中的元件布局
在准备布局混合信号 PCB设计时，必须在开始放置元件之前制定设计的平面图。有许多创建平面图的方法，从在餐巾纸背面绘图到使用高级CAD软件。无论您选择哪种方式，首先制定平面图将帮助您划分不同的电路区域，以便在您布置PCB时它们的信号不会混合。此步骤对于最大限度地减少电路板数字和模拟部分之间的串扰和 EMI 等噪声问题非常重要，并且通常可以提高设计的整体信号完整性。
电路板的电路现已分区，您可以开始放置组件。混合信号布局与任何其他PCB设计一样，需要根据行业标准规则和间隙放置部件。但是，在放置部件时需要注意一些独特的混合信号注意事项：
保持分区：保持敏感的数字和模拟组件以及路由彼此分开对于创建最佳信号完整性至关重要。更改平面图可能非常诱人，在大多数情况下，您将不得不进行一些更改，但您必须使不同的电路彼此隔离。
更大的处理器和内存组件：这些部件占用大量空间，需要大量布线，并产生大量热量。它们需要更多地位于电路板的中心以进行散热并靠近其相关电路以获得最佳信号完整性性能。
旁路电容器：电源完整性的需求在混合信号设计中尤为重要，它可能会受到接地反弹和电源尖峰的影响。为了抵消这些影响，处理器上的每个电源引脚通常都有自己的旁路电容器分配给它。这些电容必须尽可能靠近其分配的引脚放置，以便进行短而直接的布线。
相关部件和布线：通常，原理图中为处理器和存储设备的敏感电路设置了一条信号路径。从连接器开始，每个部件都需要放置在处理器和内存芯片周围，以保留原理图的信号路径。
电源：每个电源的电路需要与敏感的数字和模拟电路隔离，同时靠近它们供电的设备。这些电源之间也应该分开，以帮助平衡电路板的热量。电源部件需要在每个单独的电源中尽可能靠近放置，以在设计中创造最佳的电源完整性。
虽然我们一直在讨论混合信号设计的电气需求，但仍需要高效地制造电路板以获得最高良率。因此，在放置部件以实现最佳信号和电源完整性时，还必须遵循所有可制造性设计 (DFM) 规则。布局的另一个关键方面是供电网络的设计，我们将在接下来的这些混合信号PCB设计指南中探讨这一点。
不同类型的电路现在通常组合在一块电路板上
电力输送网络的混合信号PCB设计指南
专注于对设计进行分区的原因之一是为电路板创建一个非常稳健的接地系统。由于电路板中有不同类型的电路，一个问题是设计人员是否应该为电路的数字和模拟区域使用单独的或分离的接地层。如果模拟和数字电路彼此完全隔离，或者如果电路板产生高压电流，则创建单独的接地可能会有所帮助。然而，将标准混合信号电路板的模拟地和数字地分开比将地保持在一个平面上更有可能引入新的EMI问题。
接地层对于为设计提供清晰的信号返回路径是必要的。在标准混合信号设计中，有信号在两个电路区域之间交叉，这些交叉信号的返回路径将被分开的接地层中断。单独的接地层很可能会迫使信号通过电缆、屏蔽层或系统框架找到新的路径，从而在此过程中产生大量额外的噪声。为避免此类信号和电源完整性问题，标准混合信号设计的最佳接地配置是使用一个完整的接地参考平面那不是分裂。借助当今精心划分的组件布局和数字电路的速度，只要返回路径不被阻塞或损坏，返回路径自然会靠近其出站信号路由。除了作为信号返回路径的最佳配置之外，单个接地层还有其他几个优点：
它们保护设计的敏感电路免受传入 EMI 的影响。
它们的屏蔽还可以防止电路板产生的任何内部干扰逃逸。
与较小的平面或走线相比，大平面会产生较低阻抗的接地系统。
大型飞机还有助于散发大型处理器芯片或电源组件的热量。
只要您提供与所有电源引脚的可靠连接，您就可以在使用电源网络时拆分平面。不要切断引脚的电源，否则您可能会遇到电源完整性问题和热连接。确保使用短而宽的走线将电源组件连接在一起，并将这些电源组件和连接保持在电路板的一侧，以最大限度地减少电感。说到走线布线，接下来让我们看看其他一些用于布线混合信号设计的指南。
管理设计规则和约束是混合信号PCB设计的重要组成部分
混合信号设计中的走线
仔细划分电路板，将组件放置在最佳位置，并安装可靠的接地系统，大多数走线自然会遵循正确的路径。但是，对于混合信号PCB设计指南，有一些走线布线指南需要注意：
保持信号路径短而直接。
遵循原理图的信号路径，尤其是在高速电路中。
小心创建带有走线和过孔布线的天线。
电源布线应使用短、直且宽的走线来降低电感。
确保将数字电路的布线与模拟电路隔离，反之亦然。
确保参考平面上有清晰的信号返回路径可用于布线，尤其是那些在数字和模拟电路区域之间的走线。
混合信号设计上的走线是设置和使用设计规则和约束必不可少的一个领域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具为其用户提供了完整的约束管理系统（如上图所示），以设置走线布线宽度和其他关键设计规则。接下来，我们将了解PCB设计工具中有助于混合信号PCB布局的其他一些功能。
Cadence 的 Allegro PCB编辑器中的IR Drop 功能可以帮助您进行PDN设计
混合信号PCB设计必不可少的CAD工具功能
我们已经看到了使用约束管理器为跟踪路由设置设计规则的重要性。在对混合信号设计进行布线时，这对于标准布线、差分对、阻抗控制走线、不同模拟信号以及电源和接地走线所需的所有不同走线宽度都有很大帮助。但是跟踪路由规则并不是 Cadence 的约束管理器控制的唯一规则。它还将控制组件间隙、通孔类型、测试约束，甚至是信号完整性和时序等电气属性。
PCB布局工具中的其他功能也可以帮助您完成工作。其中包括3D查看和检查功能以及可在设计仍在布局时使用的大量仿真工具。在上图中，您可以看到 IR Drop Vision 查看器，这将帮助您确保所有连接都接收到其功能所需的适当电量。IR Drop Vision 是对混合信号 PCB设计进行完整 PDN 分析的第一步，可以帮助您避免使用多个原型构建进行昂贵的调试和测试。
丰乐壹博专业PCB设计、PCB Layout、PCBA一站式生产。
一些可能是混合信号 PCB设计一部分的布线
电子产品过去由多个电路板组成，每个电路板处理不同的设计功能。深入其中一个旧系统可能会发现处理器板、电源板、音频和视频卡，甚至是风扇控制 PCB。随着对更小电子产品、更强大功能的需求以及降低制造成本的需求，这些多板系统中的许多已被一种混合信号设计所取代。
乍一看，混合信号 PCB布局与任何其他布局基本相同。必须放置零件，必须布线网络，并且必须连接电源和接地层。然而，一旦你仔细观察，你会发现如果你没有准备好，有一些独特的要求可能会给设计带来挑战。我们将在这些混合信号 PCB设计指南中列出这些要求，以帮助您进行下一个设计。
混合信号 PCB布局中的元件布局
在准备布局混合信号 PCB设计时，必须在开始放置元件之前制定设计的平面图。有许多创建平面图的方法，从在餐巾纸背面绘图到使用高级CAD软件。无论您选择哪种方式，首先制定平面图将帮助您划分不同的电路区域，以便在您布置PCB时它们的信号不会混合。此步骤对于最大限度地减少电路板数字和模拟部分之间的串扰和 EMI 等噪声问题非常重要，并且通常可以提高设计的整体信号完整性。
电路板的电路现已分区，您可以开始放置组件。混合信号布局与任何其他PCB设计一样，需要根据行业标准规则和间隙放置部件。但是，在放置部件时需要注意一些独特的混合信号注意事项：
保持分区：保持敏感的数字和模拟组件以及路由彼此分开对于创建最佳信号完整性至关重要。更改平面图可能非常诱人，在大多数情况下，您将不得不进行一些更改，但您必须使不同的电路彼此隔离。
更大的处理器和内存组件：这些部件占用大量空间，需要大量布线，并产生大量热量。它们需要更多地位于电路板的中心以进行散热并靠近其相关电路以获得最佳信号完整性性能。
旁路电容器：电源完整性的需求在混合信号设计中尤为重要，它可能会受到接地反弹和电源尖峰的影响。为了抵消这些影响，处理器上的每个电源引脚通常都有自己的旁路电容器分配给它。这些电容必须尽可能靠近其分配的引脚放置，以便进行短而直接的布线。
相关部件和布线：通常，原理图中为处理器和存储设备的敏感电路设置了一条信号路径。从连接器开始，每个部件都需要放置在处理器和内存芯片周围，以保留原理图的信号路径。
电源：每个电源的电路需要与敏感的数字和模拟电路隔离，同时靠近它们供电的设备。这些电源之间也应该分开，以帮助平衡电路板的热量。电源部件需要在每个单独的电源中尽可能靠近放置，以在设计中创造最佳的电源完整性。
虽然我们一直在讨论混合信号设计的电气需求，但仍需要高效地制造电路板以获得最高良率。因此，在放置部件以实现最佳信号和电源完整性时，还必须遵循所有可制造性设计 (DFM) 规则。布局的另一个关键方面是供电网络的设计，我们将在接下来的这些混合信号PCB设计指南中探讨这一点。
不同类型的电路现在通常组合在一块电路板上
电力输送网络的混合信号PCB设计指南
专注于对设计进行分区的原因之一是为电路板创建一个非常稳健的接地系统。由于电路板中有不同类型的电路，一个问题是设计人员是否应该为电路的数字和模拟区域使用单独的或分离的接地层。如果模拟和数字电路彼此完全隔离，或者如果电路板产生高压电流，则创建单独的接地可能会有所帮助。然而，将标准混合信号电路板的模拟地和数字地分开比将地保持在一个平面上更有可能引入新的EMI问题。
接地层对于为设计提供清晰的信号返回路径是必要的。在标准混合信号设计中，有信号在两个电路区域之间交叉，这些交叉信号的返回路径将被分开的接地层中断。单独的接地层很可能会迫使信号通过电缆、屏蔽层或系统框架找到新的路径，从而在此过程中产生大量额外的噪声。为避免此类信号和电源完整性问题，标准混合信号设计的最佳接地配置是使用一个完整的接地参考平面那不是分裂。借助当今精心划分的组件布局和数字电路的速度，只要返回路径不被阻塞或损坏，返回路径自然会靠近其出站信号路由。除了作为信号返回路径的最佳配置之外，单个接地层还有其他几个优点：
它们保护设计的敏感电路免受传入 EMI 的影响。
它们的屏蔽还可以防止电路板产生的任何内部干扰逃逸。
与较小的平面或走线相比，大平面会产生较低阻抗的接地系统。
大型飞机还有助于散发大型处理器芯片或电源组件的热量。
只要您提供与所有电源引脚的可靠连接，您就可以在使用电源网络时拆分平面。不要切断引脚的电源，否则您可能会遇到电源完整性问题和热连接。确保使用短而宽的走线将电源组件连接在一起，并将这些电源组件和连接保持在电路板的一侧，以最大限度地减少电感。说到走线布线，接下来让我们看看其他一些用于布线混合信号设计的指南。
管理设计规则和约束是混合信号PCB设计的重要组成部分
混合信号设计中的走线
仔细划分电路板，将组件放置在最佳位置，并安装可靠的接地系统，大多数走线自然会遵循正确的路径。但是，对于混合信号PCB设计指南，有一些走线布线指南需要注意：
保持信号路径短而直接。
遵循原理图的信号路径，尤其是在高速电路中。
小心创建带有走线和过孔布线的天线。
电源布线应使用短、直且宽的走线来降低电感。
确保将数字电路的布线与模拟电路隔离，反之亦然。
确保参考平面上有清晰的信号返回路径可用于布线，尤其是那些在数字和模拟电路区域之间的走线。
混合信号设计上的走线是设置和使用设计规则和约束必不可少的一个领域。Cadence 的 Allegro PCB Editor 等PCB布局工具为其用户提供了完整的约束管理系统（如上图所示），以设置走线布线宽度和其他关键设计规则。接下来，我们将了解PCB设计工具中有助于混合信号PCB布局的其他一些功能。
Cadence 的 Allegro PCB编辑器中的IR Drop 功能可以帮助您进行PDN设计
混合信号PCB设计必不可少的CAD工具功能
我们已经看到了使用约束管理器为跟踪路由设置设计规则的重要性。在对混合信号设计进行布线时，这对于标准布线、差分对、阻抗控制走线、不同模拟信号以及电源和接地走线所需的所有不同走线宽度都有很大帮助。但是跟踪路由规则并不是 Cadence 的约束管理器控制的唯一规则。它还将控制组件间隙、通孔类型、测试约束，甚至是信号完整性和时序等电气属性。
PCB布局工具中的其他功能也可以帮助您完成工作。其中包括3D查看和检查功能以及可在设计仍在布局时使用的大量仿真工具。在上图中，您可以看到 IR Drop Vision 查看器，这将帮助您确保所有连接都接收到其功能所需的适当电量。IR Drop Vision 是对混合信号 PCB设计进行完整 PDN 分析的第一步，可以帮助您避免使用多个原型构建进行昂贵的调试和测试。
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标签：PCB设计
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