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大家好，我是罗斯。欢迎今天来新岗位。本文详细介绍了在设计混合信号PCB的布局时应考虑的事项，包括组件放置、板分层和接地平面注意事项。本文中讨论的指南为混合信号板布局设计提供了一种实用的方法，对所有背景的工程师都有帮助。

为了减少（如果不是完全消除）信号干扰，混合信号PCB设计需要从根本上掌握模拟和数字电路。为了保持整个系统的信号完整性，现代系统的组件必须在数字和模拟域中发挥作用。

在混合信号开发过程中，PCB布局是一个具有挑战性的步骤，而元件布局只是一个开始。还必须考虑板的层以及如何有效地管理这些层，以减少寄生电容带来的干扰，寄生电容可能无意中在PCB平面之间的层之间形成。

混合信号系统PCB布局设计的一个关键组成部分是接地。尽管接地的问题在业务中经常被讨论，但工程师们可能会发现想出一个一致的方法很有挑战性。例如，高质量接地的困难可能会影响整个高性能混合信号PCB设计的布局。因此，不应忽视这一因素。

Ⅰ. 零部件放置

在安装电路组件之前，必须对系统进行地板设计，就像建造房屋时一样。该程序应有助于防止高噪声信号干扰，并建立系统架构的整体完整性。

建议在创建楼层设计时，特别是对于高速电路，遵循示意图上显示的信号路径。设计的另一个关键组成部分是组件的放置位置。

为了决定将系统组件放在哪里，设计者应该能够识别关键的功能块、信号和块之间的联系。例如，希望将连接器定位在板的边缘，同时有必要将去耦电容器和晶体等辅助部件定位在尽可能靠近混合信号设备的位置。

Ⅱ. 模拟和数字模块的分离

为了最大限度地减少模拟和数字信号的公共返回路径，请考虑模拟和数字块分离，以便模拟信号不会与数字信号混合。

图1。模拟和数字电路分离

图1显示了模拟电路和数字电路分离的一个很好的例子。在划分模拟和数字部分时，应牢记以下几点：

建议在模拟平面中安装精细的模拟组件，如放大器和参考。相反侧/数字平面必须用于有噪声的数字部件，如逻辑控制和定时块。

系统中的模数转换器（ADC）或数模转换器（DAC）是混合信号并且具有低数字电流，可以以类似于在模拟平面中如何处理模拟分量的方式来处理。

对于具有大量大电流ADC和DAC的设计，建议将模拟电源和数字电源分开。换言之，DVDD应连接到数字部分，AVCC必须连接到模拟部分。

微处理器和微控制器产生的空间和热量可能非常大。为了改善散热，这些组件必须位于电路板的中心，并且必须靠近它们要连接的电路块。

Ⅲ. 电源模块

电源是电路的关键部件，需要小心处理。一般来说，电源模块必须靠近其供电的组件，同时与电路的其他部分隔离。

当复杂系统中的设备具有许多电源引脚时，可以将专用电源模块用于模拟和数字部分，以防止有噪声的数字干扰。

为了减少电感和防止电流限制，电源线应该短而直，并使用宽迹线。

Ⅳ. 解耦技术

为了满足系统的预期性能，设计者必须考虑的关键因素之一是电源抑制比（PSRR）。设备的性能最终由PSRR决定，PSRR评估设备对电源变化的敏感性。

为了保持理想的PSRR，需要防止高频能量进入设备。使用电解电容器和陶瓷电容器的组合，可以有效地将设备电源与高阻抗接地平面隔离。

低噪声环境是电路操作中有效去耦的目的。基本规则是提供尽可能短的路径，使电流返回变得简单。

设计者必须密切关注每个设备的高频滤波建议。更重要的是，该检查表将作为通用解耦方法以及如何正确使用它们的手册：

低电感陶瓷电容器用于减少高频噪声，而电解电容器通过充当瞬态电流的电荷库来减少电源上的低频噪声。此外，铁氧体磁珠是可选的，但增强了与高频噪声的隔离和去耦。

去耦电容器的位置需要尽可能靠近设备的电源引脚。为了减少额外的串联电感，这些电容器应该使用过孔或短导线连接到低阻抗接地平面的更大部分。

设备的电源引脚应尽可能靠近设备。应使用较小的电容器（通常为0.01F至0.1F）。这种配置避免了当多个输出同时切换时设备以不稳定的方式操作。电解电容器和设备电源引脚之间的距离不应超过一英寸（平均10F至100F）。

去耦电容器可以使用靠近器件GND引脚的过孔T形连接到接地平面，以简化构造而不是构造迹线。如图2所示。

图2:电源引脚的解耦技术

Ⅴ. 电路板层

一旦组件布置和平面图完成，我们可以检查板设计的不同部分，也称为板层。在PCB布线之前，强烈建议考虑板层，因为这些会影响系统设计的允许返回路径。

电路板铜层的垂直排列被称为“电路板层”。这些层负责控制电路板的电流和信号。

图3。4层PCB示例

图3显示了板材各层的视觉表示。图4详细说明了典型的4层PCB的设置：

图4。典型的4层PCB

高性能数据采集系统通常应包含四层或更多层。辅助信号通常用于底层，而数字/模拟信号通常用于顶层。通过充当阻抗控制信号的参考平面，第二层（也称为接地平面）降低了IR压降，并保护了顶层中的数字信号。在第三层上，电源平面位于。

由于它们提供了额外的平面间电容，电源和接地平面必须彼此靠近，以便在高频下对电源进行解耦。

对地平面的混合信号设计的建议随着时间的推移而发展。多年来，将地平面划分为模拟和数字是有意义的，但现在正在为当代混合信号设备提出一种新的策略。应通过适当的楼层规划和信号分离来避免由信号中的高噪声水平引起的问题。

六地平面：分离还是不分离？

在混合信号PCB布局的设计中，接地是至关重要的一步。为了保证返回信号沿着低阻抗通道返回，标准的4层PCB必须至少包含一层专用于接地平面的层。为了减少串联电感和电阻，所有IC接地引脚应放置在低阻抗接地平面上，并直接连接到接地平面。

分离模拟和数字接地已成为混合信号系统的常用接地技术。然而，单一接地最适用于管理具有适度数字电流的混合信号设备。此外，设计者在决定哪种接地技术最好时，必须考虑混合信号电流的需求。设计者必须考虑两种接地技术。

Ⅶ. 单个接地平面

最佳策略是将单个固体接地平面用于具有单个低数字电流ADC或DAC的混合信号系统。为了理解单个接地平面的重要性，有必要分析返回电流。术语“回流”描述了完成电路回路并流回接地的电流。在整个PCB布局中必须遵循每个返回路径，以避免混合信号干扰。

图5。使用固体接地平面的系统的返回电流

图4的简单电路说明了单个实心接地平面相对于多个接地平面的优势。存在与信号电流相等但相反的返回电流。当返回电流返回到地平面中的源极时，该返回电流采用电阻最小的路径。

电阻最小的路径，通常是设备接地参考之间的直线，将跟随低频传输的返回电流。然而，返回电流的一部分将试图沿着信号信道返回以用于更高频率的传输。这是由于沿着该通道的输出电流和返回电流之间产生的阻抗较低和环路较小。

Ⅷ. 分离模拟接地和数字接地

在强接地方法具有挑战性的复杂系统中，单独接地可能更可取。另一个典型的策略是将地平面分为两半，模拟地平面和数字地平面。这适用于具有许多混合信号分量和高数字电流要求的更复杂的系统。图5显示了一个具有分割接地平面的系统的示意图。

图6。使用分裂接地平面的系统的返回电流

消除接地平面中断并允许返回电流采用更直接的路径，通过星形接地结流回，是实现具有独立接地平面的系统整体接地的最简单方法。在混合信号布局思想中，模拟和数字地平面的交叉点被称为星形地。

星形接地可以连接到普通系统中模拟和数字接地平面之间的典型薄连续连接。星形接地通常用于更复杂的系统，方法是将跳线分流到接地连接。

因为星形接地没有电流，所以不需要高载流集管和跳线分流器。星形接地的主要功能是确保两个接地的参考电平相同。

为了确保符合接地标准并防止与接地相关的问题，设计人员应仔细阅读每个设备数据表中提供的接地建议。

另一方面，因为星形接地也在一个地方连接两个接地，所以具有AGND和DGND引脚的混合信号器件可以连接到它们各自的接地平面。这将精细的模拟电路与高噪声数字电流分离开来，这些电流穿过数字电源，一直流到数字接地平面，然后返回数字电源。多层PCB必须实现AGND和DGND平面的完全隔离。

Ⅸ. 其他常见接地做法

为了保证在混合信号/数字系统中应用适当的接地策略，可以使用以下程序或检查表：

应使用宽铜迹线连接到星形的接地点。

注意地平面上的任何狭窄痕迹；应该避免这些连接。

具有焊盘和过孔是有利的，从而在必要时可以连接模拟和数字接地平面。

Ⅹ. 总结

针对混合信号应用，制定组件布局图只是PCB规划的第一步，这可能很困难。当试图在混合信号系统布局中实现最佳性能时，系统设计者必须考虑的关键因素之一是正确控制板层并创建合适的接地方案。

系统设计的整体完整性将通过使用组件平面图来确定，并且通过适当布置板层来促进对整个板上的电流和信号的管理。最后但并非最不重要的是，选择最佳接地策略将提高系统性能，并阻止高噪声信号和返回电流带来的问题。