一、元件放置
與建造房屋類似,放置電路元件之前必須創(chuàng)建系統(tǒng)的平面規(guī)劃圖。此步驟將奠定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體完整性,并應(yīng)有助于避免高噪聲信號(hào)干擾。在制定平面圖時(shí),建議遵循原理圖的信號(hào)路徑,尤其是對于高速電路。元件的位置也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。設(shè)計(jì)人員應(yīng)能識(shí)別重要的功能模塊、信號(hào)以及模塊之間的連接,從而確定各元件在系統(tǒng)中的最佳位置。例如,連接器最好放置在板的邊緣,而輔助元件(如去耦電容和晶振)必須盡可能靠近混合信號(hào)器件放置。
二、模擬和數(shù)字模塊分離
為了盡量減少模擬和數(shù)字信號(hào)的共同返回路徑,可以考慮模擬和數(shù)字模塊分離,以使模擬信號(hào)不會(huì)與數(shù)字信號(hào)混合。
三、電源模塊
電源是電路的重要組成部分,應(yīng)妥善處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電源模塊必須與電路的其余部分隔離,同時(shí)仍應(yīng)靠近其供電的元件。
復(fù)雜系統(tǒng)中的器件可能有多個(gè)電源引腳,在這種情況下,模擬部分和數(shù)字部分可以分別使用專用電源模塊,以避免高噪聲數(shù)字干擾。另一方面,電源布線應(yīng)短而直,并使用寬走線以減小電感和避免限流。
四、去耦技術(shù)
電源抑制比(PSRR)是設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)性能時(shí)必須考慮的重要參數(shù)之一。PSRR衡量器件對電源變化的靈敏度,最終將決定器件的性能。
為了保持最佳PSRR,有必要防止高頻能量進(jìn)入器件。為此,可以利用電解電容和陶瓷電容的組合將器件電源適當(dāng)去耦到低阻抗接地平面。適當(dāng)去耦的目的是為電路運(yùn)行創(chuàng)造一個(gè)低噪聲環(huán)境?;疽?guī)則是通過提供最短路徑來使電流輕松返回。
五、電路板層
一旦完成元件放置和平面規(guī)劃圖,我們就可以看看電路板設(shè)計(jì)的另一個(gè)方面 —— 通常稱之為電路板層。強(qiáng)烈建議先考慮電路板層,再進(jìn)行PCB布線,因?yàn)檫@將確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的允許回流路徑。
電路板層指電路板中銅層的垂直布置。這些層應(yīng)管理整個(gè)電路板的電流和信號(hào)。
通常,高性能數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)應(yīng)有四層或更多層。頂層通常用于數(shù)字/模擬信號(hào),而底層用于輔助信號(hào)。第二層(接地層)充當(dāng)阻抗控制信號(hào)的參考平面,用于減少IR壓降并屏蔽頂層中的數(shù)字信號(hào)。最后,電源平面位于第三層。
電源和接地平面必須彼此相鄰,因?yàn)樗鼈兲峁┝祟~外的平面間電容,有助于電源的高頻去耦。對于接地層,這些年來針對混合信號(hào)設(shè)計(jì)的建議已改變。
多年來,將接地平面分為模擬和數(shù)字兩部分是有道理的,但是對于現(xiàn)代的混合信號(hào)器件,建議采用一種新方法。適當(dāng)?shù)钠矫嬉?guī)劃和信號(hào)分離應(yīng)能防止高噪聲信號(hào)的相關(guān)問題。
六、接地平面:分離還是不分離?
接地是混合信號(hào)PCB布局設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。典型4層PCB至少須有一層專門用于接地平面,以確保返回信號(hào)通過低阻抗路徑返回。所有集成電路接地引腳應(yīng)路由并直接連接到低阻抗接地平面,從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。
對于混合信號(hào)系統(tǒng),分離模擬和數(shù)字接地已成為一種標(biāo)準(zhǔn)接地方法。但是,具有低數(shù)字電流的混合信號(hào)器件最好通過單一接地進(jìn)行管理。更進(jìn)一步,設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)混合信號(hào)電流需求考慮哪種接地做法最合適。設(shè)計(jì)人員須考慮兩種接地做法。
七、單一接地平面
對于具有單個(gè)低數(shù)字電流ADC或DAC的混合信號(hào)系統(tǒng),單一實(shí)接地平面會(huì)是最佳方法。要理解單一接地層的重要性,我們需要回顧返回電流。
返回電流是指返回接地以及器件之間的走線以形成一個(gè)完整環(huán)路的電流。為了防止混合信號(hào)干擾,必須跟蹤整個(gè)PCB布局中的每條返回路徑。
對于低頻信號(hào),返回電流將沿著電阻最小的路徑流動(dòng),通常是器件接地基準(zhǔn)點(diǎn)之間的直線。但對于較高頻率信號(hào),返回電流的一部分會(huì)嘗試沿著信號(hào)路徑返回。這是因?yàn)檠卮寺窂降淖杩馆^低,流出和返回的電流之間形成的環(huán)路最小。
八、這里是小模擬地和數(shù)字地分離標(biāo)題
對于難以采用實(shí)接地方案的復(fù)雜系統(tǒng),分離接地可能更合適。
分離接地平面是另一種常用方法,接地平面一分為二:模擬接地平面和數(shù)字接地平面。這適用于具有多個(gè)混合信號(hào)器件并消耗高數(shù)字電流的更復(fù)雜系統(tǒng)。圖5顯示了采用分離接地平面的系統(tǒng)示例。
對于采用分離接地平面的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)整體接地的最簡單解決方案是消除接地平面的中斷,并允許返回電流采取更直接的路線,通過星形接地交界處流回。星形接地是混合信號(hào)布局設(shè)計(jì)中模擬和數(shù)字接地平面連接在一起的交界處。
在常見系統(tǒng)中,星形接地可以與模擬和數(shù)字接地平面之間的簡單狹窄連續(xù)交界相關(guān)。對于更復(fù)雜的設(shè)計(jì),星形接地通常用跳線分流到接地接頭來實(shí)現(xiàn)。星形接地中沒有電流流動(dòng),因此不需要承載高電流的接頭和跳線分流器。星形接地的主要作用是確保兩個(gè)接地具有相同的基準(zhǔn)電平。
設(shè)計(jì)人員務(wù)必檢查每個(gè)器件的數(shù)據(jù)手冊中提供的接地建議,確保符合接地要求并避免與接地有關(guān)的問題。另一方面,具有AGND和DGND引腳的混合信號(hào)器件可以與各自的接地平面相連因?yàn)樾切谓拥匾矔?huì)在一點(diǎn)上連接兩種接地。
這樣,所有高噪聲數(shù)字電流都會(huì)流過數(shù)字電源,一直流到數(shù)字接地平面,并回到數(shù)字電源,同時(shí)與敏感的模擬電路隔離。AGND和DGND平面的隔離必須在多層PCB的所有層上實(shí)現(xiàn)。
九、其他常見接地做法
可以采用下面的步驟或檢查清單來確保在混合信號(hào)/數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)施了適當(dāng)?shù)慕拥胤桨福?/span>
· 星形接地點(diǎn)的連接應(yīng)由較寬的銅走線構(gòu)成。
· 檢查接地平面有無窄走線,這些連接是不合需要的。
· 提供焊盤和過孔很有用,以便在必要時(shí)可以連接模擬和數(shù)字接地平面。
十、結(jié)論
混合信號(hào)應(yīng)用的PCB布局可能很有挑戰(zhàn)性,創(chuàng)建元件平面規(guī)劃圖只是起點(diǎn)。當(dāng)努力實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)系統(tǒng)布局的最佳性能時(shí),正確管理電路板層和制定適當(dāng)?shù)慕拥胤桨敢彩窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一。
制定元件平面規(guī)劃圖將有助于奠定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體完整性,適當(dāng)?shù)亟M織電路板層將有助于管理整個(gè)電路板的電流和信號(hào)。最后,選擇最有利的接地方案將會(huì)改善系統(tǒng)性能,并防止與高噪聲信號(hào)和返回電流相關(guān)的問題發(fā)生。
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