數(shù)模混合PCB布局設(shè)計(jì)

我應(yīng)該 · 發(fā)表于 2018-2-23 14:24:31

一、數(shù)模混合設(shè)計(jì)的基本概念理解

很多產(chǎn)品都包含數(shù)�；旌系� PCB 設(shè)計(jì)，不同的信號(hào)具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)不同信號(hào)之間的串?dāng)_進(jìn)行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標(biāo)要求。
對(duì)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(jì)的基本概念，有助于理解后面制定得很嚴(yán)格的布局和布線設(shè)計(jì)規(guī)則，從而在終端產(chǎn)品數(shù)�；旌系脑O(shè)計(jì)時(shí)，不會(huì)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(jì)方面可能遇到的串?dāng)_問(wèn)題。

1. 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在抗干擾能力方面的重要區(qū)別
數(shù)字信號(hào)電平有較強(qiáng)的抗干擾能力，而模擬信號(hào)的抗干擾能力很差。
舉個(gè)例子，3V 電平的數(shù)字信號(hào)，即使接收到 0.3V 的串?dāng)_信號(hào)，也可以容忍，不會(huì)對(duì)邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號(hào)領(lǐng)域，有些信號(hào)極微弱，例如 GSM 手機(jī)的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標(biāo)，僅相當(dāng)于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級(jí)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(lái)自數(shù)字控制信號(hào)線或電源地線上的細(xì)小的噪聲。
牋牋從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看，數(shù)字信號(hào)一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號(hào)、電源控制信號(hào)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(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)制、變頻、放大、發(fā)射、空間傳播、接收、解調(diào)等一系列過(guò)程才能被回復(fù)。在此過(guò)程之中噪聲不斷地跌價(jià)到信號(hào)上，從系統(tǒng)的角度來(lái)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(lái)自空間傳播的衰減和噪聲，為了達(dá)到更好的通訊性能，必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串?dāng)_。
因此可以認(rèn)為，模擬信號(hào)對(duì)串?dāng)_的要求比數(shù)字信號(hào)高幾十倍，甚至有可能達(dá)到幾萬(wàn)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(duì)于 14 位的線性 ADC、DAC，如果使最低位數(shù)據(jù)（LSB）有效，可計(jì)算出的理論上的信噪比為 86dBc，與數(shù)字電路約 20dBc 的串?dāng)_要求相比，高精度 14 位線性 ADC、DAC 對(duì)噪聲的要求至少比數(shù)字信號(hào)高 1000 倍。當(dāng)然，如果最低有效位數(shù)只需要 11 位，串?dāng)_要求就可以適當(dāng)放低，但仍然比數(shù)字信號(hào)的要求高很多。
牋牋上面的兩種情況，說(shuō)明數(shù)�；旌蠁伟逯�，模擬電路極易受到干擾，會(huì)影響信噪比等指標(biāo)。所以在數(shù)�；旌蠁伟� PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)布局布線提出很高的要求。

3. 數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)是強(qiáng)干擾源
牋牋數(shù)字信號(hào)的電平相對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)講非常高，并且數(shù)字信號(hào)包含有豐富的諧波頻率，因此數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)而言，本身就是很強(qiáng)的干擾源。特別是大電流的時(shí)鐘信號(hào)、開(kāi)關(guān)電源等更是在數(shù)�；旌显O(shè)計(jì)中需要關(guān)注的強(qiáng)干擾源。
4. 數(shù)�；旌匣ミB設(shè)計(jì)的根本目的
我們可以這樣來(lái)理解數(shù)模設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)和對(duì)外 emc 指標(biāo)即可。
我們這里所講的“較大”是相對(duì)于模擬電路而言的。對(duì)于數(shù)字電路，我們沒(méi)有必要也不可能象對(duì)待模擬電路一樣地控制串?dāng)_的存在。對(duì)于模擬電路，我們必須遵循模擬電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字電路區(qū)域。
數(shù)模混合互連設(shè)計(jì)的目的就是要通過(guò)合理的布局、布線、屏蔽、濾波、電源地分割等設(shè)計(jì)方法來(lái)保證數(shù)字信號(hào)的干擾只存在于數(shù)字信號(hào)區(qū)域。

我們需要重點(diǎn)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(gè)方面來(lái)講述采用的布局布線原則。成功的數(shù)�；旌蠁伟逶O(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)過(guò)程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)才有可能實(shí)現(xiàn)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的工作進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)地評(píng)估。對(duì)于布局和布線必須仔細(xì)地檢查和核對(duì)，要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則，一條信號(hào)線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)本來(lái)非常不錯(cuò)的電路板。
規(guī)則是死的，透過(guò)規(guī)則深刻理解原則才能保證我們能正確運(yùn)用規(guī)則，完成優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。
二、電路種類區(qū)分
在講解數(shù)�；旌显O(shè)計(jì)布局規(guī)則之前，現(xiàn)對(duì)終端板上的干擾源、敏感電路做以及干擾途徑一個(gè)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(duì)干擾途徑的理解至關(guān)重要。
1. 模擬電路
對(duì)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(hào)、頻綜電路的電源以及控制信號(hào)）、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(shí)鐘電路、開(kāi)關(guān)電源、大電流的電源線、功放電路、天線電路。對(duì)于功放、天線等射頻信號(hào)的干擾在本規(guī)范射頻設(shè)計(jì)部分分析。
3. 干擾途徑
對(duì)于數(shù)�；旌显O(shè)計(jì)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(hào)。
（1）空間輻射：相互靠近的電路之間會(huì)通過(guò)輻射產(chǎn)生串?dāng)_，這與數(shù)字信號(hào)串?dāng)_的概念是相同的，但需要注意的是，模擬信號(hào)能夠容忍的串?dāng)_要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字信號(hào)，因此有必要在布局階段就對(duì)串?dāng)_進(jìn)行控制。減小空間輻射的方式一般是拉遠(yuǎn)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(hào)可能通過(guò)電源地導(dǎo)體傳導(dǎo)到敏感電路�？刂齐娫吹卮�?dāng)_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(hào)的接口，如果布局或布線處理不當(dāng)，比如數(shù)字與模擬電路布局分區(qū)不明確、走線交錯(cuò)，就可能引起串?dāng)_。
（4）模擬控制信號(hào)：理想的模擬器件應(yīng)該是控制信號(hào)與模擬電路在器件內(nèi)部是隔離的，控制信號(hào)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(diǎn)，控制信號(hào)上的干擾號(hào)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(hào)受到的干擾，合理使用濾波器件。

三、數(shù)�；旌显O(shè)計(jì)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)模混合芯片作為模擬器件處理，布在模擬區(qū)域，但數(shù)字接口需要靠近對(duì)應(yīng)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(jìn)行保護(hù)
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(shí)盡可能是不同的電路有獨(dú)立的供電路徑

規(guī)則 5：在電源進(jìn)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(jìn)行供電。

規(guī)則 7：同一方向供電路徑采用從大信號(hào)到小信號(hào)的路徑進(jìn)行供電。

如圖所示：從大到小的供電路徑可以減小大信號(hào)的回路對(duì)小信號(hào)電路的干擾。

規(guī)則 8：對(duì)于功放電源走線應(yīng)盡可能短，減小線路壓降。
較早期的手機(jī)電池連接器一般設(shè)計(jì)在手機(jī)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(dú)立，攻放的供電路徑短。

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

規(guī)則 10：布局是為重要的管腳預(yù)留接地過(guò)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(hào)的參考層，比如如果對(duì)第二層進(jìn)行了挖空處理，那么接地管腳就必須就近連接到第三層。