技术资讯 I PCB 设计中的高速模拟版图设计技巧

本文要点

 

使 PCB 达到最佳模拟信号性能。

模拟版图的 PCB 放置和布线技巧。

有助于 PCB 设计的 CAD 工具。

 

如今，有大批员工的办公地点从传统办公室转为远程居家，数字时代的发展变化不言而喻。从在线文档共享到视频会议，远程员工正在尽可能地利用计算机和网络所带来的便利。不过，我们是数字时代的一部分也并不意味着我们生活在数字世界中。

 

我们的世界充满了声色光影，必须通过模拟电子设备进行检测和捕捉。之后，这些模拟信号必须转换为数字格式，以供计算机和其他数字设备处理，然后才能以电子形式通过不同的网络分享。在 PCB 中，这种格式转换由混合信号电路完成，而为了满足当今的电子需求，还有大量的前期工作需要完成。本文将介绍一些高速模拟版图技巧，帮助我们顺利完成混合信号 PCB 设计。

 

 

混合信号 PCB 设计

 

从我们所见所闻，到温度和运动，不同电子设备会捕捉到无数的感官事件。这些动作和事件都以模拟信号的形式被捕捉，然后经过转换，在计算机等数字系统中进行处理。转换由系统内的混合信号电路板中的模数转换器完成。

 

根据信号来源的大小，模拟信号也会有所不同。例如，摄像头或麦克风检测到的光或声的大小将改变所捕获信号的振幅。然而，模拟电路的信号依赖于连续的电压或电流，并在传输和接收过程中依靠精确的控制来得到正确解读。相比之下，数字信号只有两个值：开和关。这种结构上的特点使数字信号在传输时的误差容许幅度更大，因此设计数字信号比设计模拟信号要更加容易。

 

PCB 设计师必须在版图设计过程中对模拟和数字电路进行适当分离，以防止这两种信号产生相互影响。下文将探讨如何通过不同的方法实现这一点。

 

高速模拟版图设计技巧：

器件放置和走线布线

 

模拟和数字电路最终能否成功运行，在很大程度上取决于 PCB 设计中层堆叠的配置效果。高速信号需要相邻层上具有参考平面，用作信号回流路径，以减少噪声并提高信号完整性。因此，在配置电路板层堆叠时，需要考虑到一般的放置方法，以确保在适当的层上有足够的空间进行布线。设计师可以遵循高速模拟版图设计技巧，来实现这一目标，如按器件的功能和电路块对器件进行分组，并创建作为实际器件放置模板的布局规划。布局规划需要将数字和模拟电路在功能分区中相互隔离，而组与组之间的互连则用于直接布线。

 

布局规划完成后，设计师可以直接放置器件。请记住，我们的目标是使布线尽可能短而直接，所以必须相应地调整元件的位置。这里总结了一些高速模拟版图的设计技巧和放置注意事项，在设计模拟电路时需要格外注意：

 

放置元件

 

元件的放置要便于彼此之间直接布线。

不要将元件放置在不得不穿过模拟电路对数字信号进行布线的地方，反之亦然。

尽可能地让元件紧凑放置，以减少模拟走线的长度。

切记，要根据装配商推荐的可制造性设计 (Design for Manufacturability， DFM) 标准来放置元件。

使噪声大的元件（如 ADC）远离电路板的边缘，更多地将其放置在中心位置。

 

许多 PCB 设计师使用的工作流程是先放置元件然后再布线；然而，对于模拟版图设计来说，同时放置元件和布线有时会有所帮助：

 

走线布线

 

走线布线要尽可能短而直接。布线时，元件要尽量紧密放置，这将有助于减少可能的阻抗不匹配和信号反射。

在对模拟电路进行布线时，要使用更宽的走线。

尽可能将模拟走线限制在一个板层中。过孔会产生电感，在各层之间用过孔过渡的次数越少越好。

布线时不要让模拟走线穿过数字电路区域，也不要让数字走线穿过模拟区域。

尽可能将模拟和数字布线限制在各自的电路区域内，这将进一步减少可能的混合信号串扰。

 

模拟和数字信号布线的最后一条规则是，不要让走线穿过参考平面的隔断区域。如果布线穿过参考平面上的这些区域，则会由于信号返回路径不佳而容易产生噪声。

 

 

模拟版图设计中电源分配网络建议

 

设计中的模拟和数字元件都需要获得“干净的”电源，但高速 PCB 经常被电源分配网络中的诸多问题所困扰，如瞬态振铃。要解决这种问题，通常要在设计中添加大量的去耦电容器，并在堆叠中将接地层和电压层相邻放置，以便提供较高的平面间电容。此处再次提醒，如何配置板层堆叠对混合信号设计的成功至关重要。

 

如何在设计上布置接地平面，对电路板的运行来说也是至关重要的。正如前文所述，信号不应该在接地平面被破坏的地方布线。如上图所示，无论是接地平面上的空隙还是密集的过孔区域，接地平面遭到破坏都可能会阻断信号的清晰返回路径，迫使它在返回源头的途中四处游荡。这种游荡是造成设计中出现电磁干扰和信号完整性不佳的主要原因之一。为了避免这些问题，需要确保信号在参考平面上有一个清晰的返回路径，以获得最佳的电路板性能。

 

Cadence Allegro PCB Editor 设计工具提供了先进的功能，可以帮助我们设计信号返回路径

在电路板上，信号回流路径出现重大问题的罪魁祸首之一是分割接地平面。如果设计包括一个分割的平面，就不要让走线布线穿过这个分割的平面。否则，信号的返回路径将被完全切断，造成更严重的信号完整性问题。然而，更好的做法是完全不分割接地平面。尽管许多人认为分割接地平面能更好地隔离电路的模拟和数字区域，但它产生的问题之多也会超出预期。前文已经提到了这不利于产生清晰的信号返回路径，如果使用底盘接地，这还有可能在各部分之间引入共模电流。相反，如果有一个完整的接地平面，并将电路的模拟和数字区域分开放置和布线，就可以为必须在各部分之间移动的少数信号提供清晰的返回路径。避免分割接地平面可以解决许多电磁干扰问题，实现“更干净”的设计，因为模拟和数字信号会自然而然地在其走线周围形成紧密的回流路径。

 

显然，在这样的设计中，许多细节需要在 PCB 版图中加以管理。此时，采用先进的设计系统可以为设计师提供更高层次的帮助。

 

Cadence Allegro PCB Editor的 Constraint Manager 可用于设置布线和过孔设计规则

 

有助于 PCB 设计的CAD 工具

 

要想按照严格的空间宽度放置元件，并为模拟电路进行不同走线宽度和间隔的布线，需要进行详细的数据库管理。确保充分设置并使用 CAD 系统的设计规则来控制这些约束条件。上图是 Allegro Allegro PCB Editor中Constraint Manager（规则管理器）系统中的一个示例，展示了如何为单个元件或器件类和网络类的器件间隙、走线宽度和间距输入不同的值。