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混合信号电路板的设计准则

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  • 2013-06-19
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第一篇 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。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OC48I/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。

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