數(shù)模混合PCB布局設(shè)計

我應該 · 發(fā)表于 2018-2-23 14:24:31

一、數(shù)�；旌显O(shè)計的基本概念理解

很多產(chǎn)品都包含數(shù)模混合的 PCB 設(shè)計，不同的信號具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計過程中必須對不同信號之間的串擾進行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標要求。
對于以下基本概念的理解非常重要，掌握有關(guān)數(shù)模混合設(shè)計的基本概念，有助于理解后面制定得很嚴格的布局和布線設(shè)計規(guī)則，從而在終端產(chǎn)品數(shù)�；旌系脑O(shè)計時，不會輕易打折執(zhí)行其中的重要約束規(guī)則。并且有助于靈活有效地處理數(shù)�；旌显O(shè)計方面可能遇到的串擾問題。

1. 模擬信號與數(shù)字信號在抗干擾能力方面的重要區(qū)別
數(shù)字信號電平有較強的抗干擾能力，而模擬信號的抗干擾能力很差。
舉個例子，3V 電平的數(shù)字信號，即使接收到 0.3V 的串擾信號，也可以容忍，不會對邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號領(lǐng)域，有些信號極微弱，例如 GSM 手機的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標，僅相當于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級的帶內(nèi)干擾噪聲，也足以使基站接收靈敏度大幅度劣化。這種輕微干擾可能來自數(shù)字控制信號線或電源地線上的細小的噪聲。
牋牋從系統(tǒng)的觀點來看，數(shù)字信號一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號、電源控制信號等，只要保證從發(fā)送端到接收端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態(tài)的判別即可。而模擬信號需要經(jīng)過調(diào)制、變頻、放大、發(fā)射、空間傳播、接收、解調(diào)等一系列過程才能被回復。在此過程之中噪聲不斷地跌價到信號上，從系統(tǒng)的角度來講必須保證最終的信噪比滿足要求才能正確解調(diào)。最大的干擾來自空間傳播的衰減和噪聲，為了達到更好的通訊性能，必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串擾。
因此可以認為，模擬信號對串擾的要求比數(shù)字信號高幾十倍，甚至有可能達到幾萬倍。

2. 高精度 ADC、DAC 電路
牋牋理想情況下，線性 ADC、DAC 電路信噪比與轉(zhuǎn)換位數(shù)間的關(guān)系是：
牋牋SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3×2n)]=6.02n+1.76 dB
牋牋對于 14 位的線性 ADC、DAC，如果使最低位數(shù)據(jù)（LSB）有效，可計算出的理論上的信噪比為 86dBc，與數(shù)字電路約 20dBc 的串擾要求相比，高精度 14 位線性 ADC、DAC 對噪聲的要求至少比數(shù)字信號高 1000 倍。當然，如果最低有效位數(shù)只需要 11 位，串擾要求就可以適當放低，但仍然比數(shù)字信號的要求高很多。
牋牋上面的兩種情況，說明數(shù)模混合單板中，模擬電路極易受到干擾，會影響信噪比等指標。所以在數(shù)模混合單板 PCB 設(shè)計過程中，要對布局布線提出很高的要求。

3. 數(shù)字信號對于模擬信號是強干擾源
牋牋數(shù)字信號的電平相對于模擬信號來講非常高，并且數(shù)字信號包含有豐富的諧波頻率，因此數(shù)字信號對于模擬信號而言，本身就是很強的干擾源。特別是大電流的時鐘信號、開關(guān)電源等更是在數(shù)�；旌显O(shè)計中需要關(guān)注的強干擾源。
4. 數(shù)�；旌匣ミB設(shè)計的根本目的
我們可以這樣來理解數(shù)模設(shè)計問題，對于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計規(guī)則，在數(shù)字電路區(qū)域，可以允許較大的干擾存在，只要不影響系統(tǒng)功能實現(xiàn)和對外 emc 指標即可。
我們這里所講的“較大”是相對于模擬電路而言的。對于數(shù)字電路，我們沒有必要也不可能象對待模擬電路一樣地控制串擾的存在。對于模擬電路，我們必須遵循模擬電路的設(shè)計規(guī)則，在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠遠小于數(shù)字電路區(qū)域。
數(shù)�；旌匣ミB設(shè)計的目的就是要通過合理的布局、布線、屏蔽、濾波、電源地分割等設(shè)計方法來保證數(shù)字信號的干擾只存在于數(shù)字信號區(qū)域。

我們需要重點關(guān)注的內(nèi)容包括干擾源、敏感電路、干擾途徑。下面將從這 3 個方面來講述采用的布局布線原則。成功的數(shù)�；旌蠁伟逶O(shè)計必須仔細注意整個過程中每個步驟及每個細節(jié)才有可能實現(xiàn)，這意味著必須在設(shè)計開始階段就要進行徹底的、仔細的規(guī)劃，并對每個設(shè)計步驟的工作進展進行全面持續(xù)地評估。對于布局和布線必須仔細地檢查和核對，要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則，一條信號線走線不當就會徹底破壞一個本來非常不錯的電路板。
規(guī)則是死的，透過規(guī)則深刻理解原則才能保證我們能正確運用規(guī)則，完成優(yōu)秀的設(shè)計。
二、電路種類區(qū)分
在講解數(shù)�；旌显O(shè)計布局規(guī)則之前，現(xiàn)對終端板上的干擾源、敏感電路做以及干擾途徑一個區(qū)分，了解這些干擾源和敏感電路能夠幫助我們正確制定布局和布線方案，另外對干擾途徑的理解至關(guān)重要。
1. 模擬電路
對于終端產(chǎn)品，模擬電路包括所有射頻電路、射頻電源、射頻控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、音頻電路。所用以上模擬電路都是敏感電路，其中特別需要關(guān)注的敏感電路包括頻終電路（包括本振信號、頻綜電路的電源以及控制信號）、接收前端電路、音頻電路。
2. 干擾源
干擾源包括所有數(shù)字電路、大功率射頻電路（功放、天線和其他大功率射頻電路）。其中特別需要關(guān)注的干擾源包括時鐘電路、開關(guān)電源、大電流的電源線、功放電路、天線電路。對于功放、天線等射頻信號的干擾在本規(guī)范射頻設(shè)計部分分析。
3. 干擾途徑
對于數(shù)�；旌显O(shè)計需要關(guān)注的干擾途徑包括：空間輻射、電源地（平面或走線）、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、模擬電路的各種控制信號。
（1）空間輻射：相互靠近的電路之間會通過輻射產(chǎn)生串擾，這與數(shù)字信號串擾的概念是相同的，但需要注意的是，模擬信號能夠容忍的串擾要遠遠小于數(shù)字信號，因此有必要在布局階段就對串擾進行控制。減小空間輻射的方式一般是拉遠布局的距離合使用屏蔽盒。
（2）電源地：電源地是數(shù)字與模擬電路公共的回路，因此干擾干擾信號可能通過電源地導體傳導到敏感電路�？刂齐娫吹卮當_的方式是合理使用濾波器件和電源地分割。
（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：是模擬于數(shù)字信號的接口，如果布局或布線處理不當，比如數(shù)字與模擬電路布局分區(qū)不明確、走線交錯，就可能引起串擾。
（4）模擬控制信號：理想的模擬器件應該是控制信號與模擬電路在器件內(nèi)部是隔離的，控制信號只要能保證正確的邏輯電平即可。但器件往往做不到這一點，控制信號上的干擾號可能直接耦合到模擬電路中。解決方式是盡量降低模擬電路控制信號受到的干擾，合理使用濾波器件。

三、數(shù)�；旌显O(shè)計的布局規(guī)則
規(guī)則 1：模擬器件布局在模擬區(qū)。

規(guī)則 2：數(shù)字器件布局在數(shù)字區(qū)。

規(guī)則 3：數(shù)�；旌闲酒鳛槟M器件處理，布在模擬區(qū)域，但數(shù)字接口需要靠近對應的數(shù)字器件布局。

規(guī)則 4：以下電路盡可能使用屏蔽盒進行保護
1. 接收前端電路，包括天線到接受芯片之間的濾波器、LNA、阻抗匹配電路等。
2. 頻率源電路：VCO、鎖相環(huán)芯片、環(huán)路濾波器、晶振等電路。
3. 功放電路。在布局時盡可能是不同的電路有獨立的供電路徑

規(guī)則 5：在電源進入模擬區(qū)之前放置濾波電容

規(guī)則 6：數(shù)字電源與模擬電源從不同的方向進行供電。

規(guī)則 7：同一方向供電路徑采用從大信號到小信號的路徑進行供電。

如圖所示：從大到小的供電路徑可以減小大信號的回路對小信號電路的干擾。

規(guī)則 8：對于功放電源走線應盡可能短，減小線路壓降。
較早期的手機電池連接器一般設(shè)計在手機板中部，上面為射頻電路，下面為數(shù)字電路，如圖所示：

這樣布局的好處在于射頻與數(shù)字部分供電路徑獨立，攻放的供電路徑短。

規(guī)則 9：電源模塊在布局和布線時，根據(jù)功耗情況，預留散熱銅皮區(qū)域。

規(guī)則 10：布局是為重要的管腳預留接地過孔的空間。
射頻器件的接地管腳需要就近接地，并且需要連接到射頻信號的參考層，比如如果對第二層進行了挖空處理，那么接地管腳就必須就近連接到第三層。