模擬電路PCB設(shè)計規(guī)則詳解

盡管構(gòu)建模擬系統(tǒng)看起來像是回到了真空管時代，但模擬元件和電路不會很快消失，支持它們的 PCB 也不會消失。 純模擬電路板和混合信號 PCB 在許多產(chǎn)品中仍然很重要，并將繼續(xù)在一定頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。 開始模擬 PCB 設(shè)計以及需要考慮的事項可能很困難，但我們希望這些指南能夠幫助您了解可以采取哪些步驟來確保成功。

有時最好根據(jù)共同的設(shè)計目標(biāo)來考慮模擬 PCB 和混合信號 PCB。 模擬電路和 PCB 需要特別小心，因為目標(biāo)通常是路由信號并將其輸入到組件/電路中，同時確保低噪聲運(yùn)行。 然后，電路板運(yùn)行的頻率范圍將決定需要采取的一些措施，以確保設(shè)計按預(yù)期運(yùn)行。 在本指南中，我們將概述一些您應(yīng)該考慮的標(biāo)準(zhǔn)模擬 PCB 設(shè)計和布局指南。 我們將嘗試涵蓋從低 kHz 頻率到高毫米波頻率。

模擬PCB層堆疊

電路設(shè)計完成后，層堆疊是設(shè)計的第一站。 模擬層堆棧通常遵循與構(gòu)建數(shù)字 PCB 堆棧相同的思路。 應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 電源和接地：計劃在PCB布局中的關(guān)鍵信號走線周圍使用大量接地，并相應(yīng)規(guī)劃電源軌布線。 新手設(shè)計人員可能習(xí)慣于考慮如何布線重要的模擬互連，但如果您盡早這樣做，則可以相應(yīng)地規(guī)劃電源和信號布線。

• 高頻電源：如果你的模擬板需要高輸出功率和高頻傳輸，你需要提供一個非常穩(wěn)定的電源，可能是大電流。 計劃在內(nèi)層使用電源層代替導(dǎo)軌，并將接地層放置在相鄰層。

• 材料選擇：我認(rèn)為每個設(shè)計師都希望在模擬電路板的每一層使用低損耗 PTFE 層壓板，但這些昂貴的材料并不總是必要的。 如果您的工作頻率不是幾十 GHz，并且僅使用較短的布線，則可以使用標(biāo)準(zhǔn) FR4 層壓板，只要不使用長互連電纜即可。 如果您確實需要低損耗層壓板，請聯(lián)系您的制造商以了解如何使用混合 PCB 堆棧。

當(dāng)今的模擬板通常在與模擬部分相同的板上包含數(shù)字部分。 您應(yīng)該如何在堆棧中處理這個問題？ 在混合信號 PCB 中，電源和接地的建議通常有所不同，具體取決于您的模擬和數(shù)字部件之間是否需要直接布線。

混合信號接地

如果您的電路板也有數(shù)字部分，那么組件放置的事情會變得更加復(fù)雜。 一般來說，由于數(shù)字電路的速度，您不應(yīng)使用物理上分離的接地層，而應(yīng)使用單個接地層。 嘗試規(guī)劃布局，使數(shù)字模塊和模擬模塊的返回路徑自然分開。 這在低頻下很困難，這就是為什么如此多的設(shè)計指南繼續(xù)提倡使用單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地層。

混合信號電源

對于混合信號電源，電源層通常分為數(shù)字和模擬部分，類似于數(shù)字電源層在不同電源電壓下工作所完成的工作。 這些部件應(yīng)位于同一層，并參考相鄰層的同一接地平面。 此外，最好將數(shù)字電源軌僅放置在電路板的數(shù)字部分，就像模擬電源軌的情況一樣。

此外，您不應(yīng)該通過連接數(shù)字和模擬部件之間的間隙來創(chuàng)建數(shù)字和模擬部件之間的接口。 要了解原因，請查看這篇文章。 您需要的接口可以由 ADC 提供，ADC 可以內(nèi)置在您的主機(jī)控制器中，也可以是特殊的 IC。

模擬 PCB 布局中的元件放置

不幸的是，我們無法涵蓋所有可能的組件的放置，但我們可以簡要討論一些重要的組件。 具有一些重要布局指南的兩個最有趣的組件是 ADC 和放大器（包括運(yùn)算放大器）。 雖然我想在這里提到PLL，但這些電路依賴于大量的時鐘布線和精確的時序，所以最好單獨(dú)寫一篇文章。

處理未使用的運(yùn)算放大器

模擬板上必須出現(xiàn)的組件之一是運(yùn)算放大器。 在很多運(yùn)算放大器IC中，有些運(yùn)算放大器會閑置。 IC 上任何未使用的引線均應(yīng)正確端接。 IC 中運(yùn)算放大器上的未端接（即浮動）引線將產(chǎn)生噪聲并傳播到工作 IC，從而降低信號完整性。

如果您使用單個電源軌，則應(yīng)首先將輸出短路至灌電流輸入。 這會產(chǎn)生負(fù)反饋并確保輸出正確跟隨輸入。 接下來，將具有相等電阻的分壓器連接到同相輸入和接地引腳。 這會將輸入電位設(shè)置為線性范圍的中點(diǎn)。 如果您使用分離軌，則只需將輸出短接到漏極輸入并將同相輸入接地即可。

功率放大器的問題

在低頻下，放大器不會受到任何其他 PCB 所不適用的特殊限制。 對于工作在高頻的功率放大器來說，情況有所不同，因為放大器輸出可能不穩(wěn)定，這可能是意外的正反饋。 您可以使用一些模擬來跟蹤放大器輸入的耦合，盡管這些需要可以直接與 PCB 布局連接的場解算器。 了解有關(guān)射頻功率放大器這個有趣的信號完整性問題的更多信息。

ADC 位置

ADC 是模擬信號與數(shù)字世界連接的地方，因此這部分需要小心放置，因為它將包含數(shù)字部分。 分離式 ADC 最好大致沿著數(shù)字和模擬部分之間的邊界放置。 事實上，這可能是在具有單獨(dú)接地層的混合信號系統(tǒng)中創(chuàng)建接口的唯一可接受的方式，因為硅芯片上的接地層可以為輸入/輸出信號提供參考層。 然而，如果使用統(tǒng)一的接地層，ADC 的放置以及接地層提供的屏蔽將具有更大的靈活性。

模擬 PCB 接線指南

模擬PCB中的布線是為了確保沿著互連發(fā)送的模擬信號在互連的接收器側(cè)不會明顯失真。 使用模擬 PCB 時，您的凈計數(shù)通常比數(shù)字 PCB 少得多，因此您可以盡早嘗試一些可能的布局，直到找到可解決的計劃。 以下是一些可以幫助您的路線指南：

• 走線長度：一般情況下，盡量保持模擬PCB中的走線短而直。 隨著信號頻率的增加，這一點(diǎn)非常重要。 除了損耗之外，還要注意信號的臨界長度。

• 強(qiáng)制阻抗匹配：即使您的布線長度很短，強(qiáng)制阻抗匹配無論如何仍然是一個好主意。 這可能意味著您需要在重要電路或組件上設(shè)計一些阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以確保電路之間的非反射功率傳輸。

• 考慮共面布線：您可以使用共面 PCB 布線來確保高隔離度，而無需犧牲阻抗。 您仍然可以強(qiáng)制進(jìn)行阻抗控制，同時違反銅鑄件的“3W”間隙規(guī)則。

• 盡量減少過孔的使用：每個過孔都會增加互連S參數(shù)的損失，因此最好盡量減少這些損失，如果可能的話，只進(jìn)行必要的層轉(zhuǎn)換。 對于那些仍然存在的過孔，它們可能會像天線一樣產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射

根據(jù)您將在電路板中使用的主頻率，您可以考慮通過平面層之間的內(nèi)部層進(jìn)行布線。 當(dāng)需要隔離時，優(yōu)先選擇內(nèi)層頻率較高的帶狀線或共面布線，只要過孔轉(zhuǎn)換即可。