混合信号的设计

liujie123 · 发表于 2007-12-21 15:52

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混合信号电路板的设计准则

模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压。数字电路的工作依赖在接收端根据预先定义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测，它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”。在数字电路的高电平和低电平之间，存在“灰色”区域，在此区域数字电路有时表现出模拟效应，例如当从低电平向高电平(状态)跳变时，如果数字信号跳变的速度足够快，则将产生过冲和回铃反射现象。
对于现代板极设计来说，混合信号PCB的概念比较模糊，这是因为即使在纯粹的“数字”器件中，仍然存在模拟电路和模拟效应。因此，在设计初期，为了可靠实现严格的时序分配，必须对模拟效应进行仿真。实际上，除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可靠性之外，大量生产的低成本/高性能消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真。
现代混合信号PCB设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多，比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS逻辑，每种逻辑电路的逻辑门限和电压摆幅都不同，但是，这些不同逻辑门限和电压摆幅的电路必须共同设计在一块PCB上。在此，通过透彻分析高密度、高性能、混合信号PCB的布局和布线设计，你可以掌握成功策略和技术。
一、混合信号电路布线基础

当数字和模拟电路在同一块板卡上共享相同的元件时，电路的布局及布线必须讲究方法。图1所示的矩阵对混合信号PCB的设计规划有帮助。只有揭示数字和模拟电路的特性，才能在实际布局和布线中达到要求的PCB设计目标。
图1：模拟和数字电路：混合信号设计的两个方面
　
在混合信号PCB设计中，对电源走线有特别的要求并且要求模拟噪声和数字电路噪声相互隔离以避免噪声耦合，这样一来布局和布线的复杂性就增加了。对电源传输线的特殊需求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求，使混合信号PCB的布局和布线的复杂性进一步增加。
如果将A/D转换器中模拟放大器的电源和A/D转换器的数字电源接在一起，则很有可能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。或许，由于输入/输出连接器位置的缘故，布局方案必须把数字和模拟电路的布线混合在一起。
在布局和布线之前，工程师要弄清楚布局和布线方案的基本弱点。即使存在虚假判断，大部分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。
二、现代混合信号PCB的布局和布线

下面将通过OC48接口卡的设计来阐述混合信号PCB 布局和布线的技术。OC48代表光载波标准48，基本上面向2.5Gb串行光通讯，它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的一种。OC48接口卡包含若干典型混合信号PCB的布局和布线问题，其布局和布线过程将指明解决混合信号PCB布局方案的顺序和步骤。
图2：OC48接口卡的逻辑
　

如图2所示，OC48卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信号输入或输出数字信号处理器，DSP将这些模拟信号转换为数字逻辑电平，从而可与微处理器、可编程门阵列以及在OC48卡上的DSP和微处理器的系统接口电路相连接。独立的锁相环、电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。

其中，微处理器是一个多电源器件，主电源为2V，3.3V的I/O信号电源由板上其他数字器件共享。独立数字时钟源为OC48 I/O、微处理器和系统I/O提供时钟。
经过检查不同功能电路块的布局和布线要求，初步建议采用12层板，如图3所示。微带和带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之间设置接地层，将把敏感的模拟参考源、CPU核和PLL滤波器电源的布线与在第一层的微处理器和DSP器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的，与OC48卡上为共享3.3V电源层所做的一样。这样将降低电源和地之间的阻抗，从而减少电源信号上的噪声。
要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线，否则，电源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。
要根据数字信号布线的需要，仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口(split)，特别是在混合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传输线回路。这些都会造成信号质量、时序和EMI问题。
有时增加若干接地层，或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层，就可以取消开口并避免出现上述问题，在OC48接口卡上就采用了多个接地层。保持开口层和布线层位置的层叠对称可以避免卡变形并简化制作过程。由于1盎司覆铜板耐大电流的能力强，3.3V电源层和对应的接地层要采用1盎司覆铜板，其它层可以采用0.5盎司覆铜板，这样，可以降低暂态高电流或尖峰期间引起的电压波动。
如果你从接地层往上设计一个复杂的系统，应采用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撑布线层及接地隔离层。卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布线特征尺寸调整，以便使钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商提供的金属化孔的宽高比。
如果要用最少的布线层数设计一个低成本、高产量的商业产品，则在布局或布线之前，要仔细考虑混合信号PCB上所有特殊电源的布线细节。在开始布局和布线之前，要让目标制造商复查初步的分层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗(带容差)和最小的过孔焊盘和孔的尺寸来分层，制造商应该书面提供分层建议。
建议中要包含所有受控阻抗带状线和微带线的配置实例。要将你对阻抗的预测与制造商对阻抗的结合起来考虑，然后，利用这些阻抗预测可以验证用于开发CAD布线规则的仿真工具中的信号布线特性。
三、OC48卡的布局

在光收发器和DSP之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样，所有特殊电源和参考电压电路也使该卡的模拟和数字电源传输电路之间产生大量的耦合。有时，受机壳形状的限制，不得不设计高密度板卡。由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分元件尺寸较高，使收发器在卡中的位置很大程度上被固定死。系统I/O连接器位置和信号分配也是固定的。这是布局之前必须完成的基础工作(见图4)。

与大多数成功的高密度模拟布局和布线方案一样，布局要满足布线的要求，布局和布线的要求必须互相兼顾。对一块混合信号PCB的模拟部分和2V工作电压的本地CPU内核，不推荐采用“先布局后布线”的方法。对OC48卡来说，DSP模拟电路部分包含有模拟参考电压和模拟电源旁路电容的部分应首先互动布线。完成布线后，具有模拟元件和布线的整个DSP要放到距离光收发器足够近的地方，充分保证高速模拟差分信号到DSP的布线长度最短、弯曲和过孔最少。差分布局和布线的对称性将减少共模噪声的影响。但是，在布线之前很难预测布局的最佳方案(见图5)。

要向芯片分销商咨询PCB排板的设计指南。在按照指南设计之前，要与分销商的应用工程师充分交流。许多芯片分销商对提供高质量的布板建议有严格的时间限制。有时，他们提供的解决方案对于使用该器件的“一级客户”是可行的。在信号完整性(SI)设计领域，新器件的信号完整性设计特别重要。根据分销商的基本指南并与封装中每条电源和接地引脚的特定要求相结合，就可以开始对集成了DSP和微处理器的OC48卡布局布线。

高频模拟部分的位置和布线确定后，就可以按照框图中所示的分组方法放置其余的数字电路。要注意仔细设计下列电路：对模拟信号灵敏度高的CPU中PLL电源滤波电路的位置；本地CPU内核电压调整器；用于“数字”微处理器的参考电压电路。

数字布线的电气和制造准则规范此时才可以恰当地应用到设计之中。前述对高速数字总线和时钟信号的信号完整性的设计，揭示出一些对处理器总线、平衡Ts及某些时钟信号布线的时滞匹配的特殊布线拓扑要求。但是你或许不知道，也有人提出更新的建议，即增加若干端接电阻。

在解决问题的过程中，布板阶段做一些调整是当然的事。但是，在开始布线之前，很重要的一步是按照布局方案验证数字部分的时序。此时此刻，对板卡进行完整DFM/DFT布局复查将有助于确保该卡满足客户的需要。

四、OC48卡的数字布线

对于数字器件电源线和混合信号DSP的数字部分，数字布线要从SMD出路图(escape patterns)开始。要采用装配工艺允许的最短和最宽的印制线。对于高频器件来说，电源的印制线相当于小电感，它将恶化电源噪声，使模拟和数字电路之间产生不期望的耦合。电源印制线越长，电感越大。
采用数字旁路电容可以得到最佳的布局和布线方案。简言之，根据需要微调旁路电容的位置，使之安装方便并分布在数字部件和混合信号器件数字部分的周围。要采用同样的“最短和最宽的走线”方法对旁路电容出路图进行布线。
当电源分支要穿过连续的平面时(如OC48接口卡上的3.3V电源层)，则电源引脚和旁路电容本身不必共享相同的出口图，就可以得到最低的电感和ESR旁路。在OC48接口卡这样的混合信号PCB上，要特别注意电源分支的布线。记住，要在整个卡上以矩阵排列的形式放置额外的旁路电容，即使在无源器件附近也要放置 (见图6)。
电源出路图确定之后，就可以开始自动布线。OC48卡上的ATE测试触点要在逻辑设计时定义。要确保ATE接触到100%的节点。为了以0.070英寸的最小ATE测试探头实现ATE测试，必须保留引出过孔(breakout via)的位置，以保证电源层不会被过孔的反面焊盘(antipads)交叉所隔断。
如果要采用一个电源和接地层开口(split)方案，应在平行于开口的邻近布线层上选择偏移层(layer bias)。在邻近层上按该开口区域的周长定义禁止布线区，防止布线进入。如果布线必须穿过开口区域到另一层，应确保与布线相邻的另一层为连续的接地层。这将减少反射路径。让旁路电容跨过开口的电源层对一些数字信号的布板有好处，但不推荐在数字和模拟电源层之间进行桥接，这是因为噪声会通过旁路电容互相耦合。

若干最新的自动布线应用程序能够对高密度多层数字电路进行布线。初步布线阶段要在SMD出口中使用0.050英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用的封装类型，后续布线阶段要容许过孔的位置互相靠得比较近，这样所有工具都能实现最高的布通率和最低的过孔数。由于OC48处理器总线采用一种改进的星形拓扑结构，在自动布线时其优先级最高(见图7)。
总结

OC48卡布板完成之后要进行信号完整性核查和时序仿真。仿真证明布线指导达到预期的要求并改善了第二层总线的时序指标。最后进行设计规则检查、最终制造的复查、光罩和复查并签发给制造者，则布板任务才正式结束
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分区设计
摘要：混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电路的性能。

如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。

有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。

如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感，如果流过大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰。最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时，将形成一个非常大的电流环路。另外，模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。

了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。

采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。

要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无论这个临近层是电源层还是地线层。

在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。

只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。

PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。

在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。

如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。

如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。

最好的办法是开始时就用统一地。如图4所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。

如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。

在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。

在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。
混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点：
1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。

2.合适的元器件布局。

3.A/D转换器跨分区放置。

4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。

5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。

6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。

7.实现模拟和数字电源分割。

8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。

9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。

10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。

11.采用正确的布线规则。

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