模擬電路的 PCB設計規則

2021-08-24

模擬電路的 PCB設計規則

盡管構建模擬系統看起來像是回到了真空管時代，但模擬組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 在許多產品中仍然很重要，并將繼續在一系列頻率下運行。模擬 PCB設計入門在從哪里開始和考慮什么方面可能很困難，但我們希望這些指南將幫助您了解可以采取哪些步驟來確保成功。

有時，最好根據共同的設計目標來考慮模擬PCB和混合信號 PCB。模擬電路和PCB需要特別小心，因為目標通常是路由信號并將它們輸入到組件/電路中，同時確保低噪聲操作。然后，電路板運行的頻率范圍將決定需要采取的一些措施，以確保設計按預期運行。在本指南中，我們將概述您應該考慮的一些標準模擬 PCB設計和布局指南。我們將嘗試覆蓋從低 kHz 頻率到高毫米波頻率。

模擬 PCB 層堆疊

設計好電路后，層堆棧就是設計的第一站。模擬層堆棧通常遵循用于構建數字 PCB 堆棧的相同想法。注意以下幾點：

電源和接地：計劃在 PCB布局中傳輸關鍵信號的走線周圍使用大量接地，并相應地規劃電源軌布線。較新的設計人員可能習慣于考慮如何布線重要的模擬互連，但如果您盡早這樣做，您可以相應地規劃電源和信號布線。

高頻供電：如果您的模擬板需要以高輸出功率和高頻進行傳輸，那么您需要提供非常穩定的電源，可能是高電流。計劃在內部層上使用電源層而不是導軌，并在相鄰層上放置接地層。

材料選擇：我認為每個設計師都希望模擬電路板的每一層都使用低損耗的基于 PTFE 的層壓板，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，并且您只使用較短的布線，那么只要您不布線很長的互連，您就可以使用標準的 FR4 層壓板。如果您確實需要低損耗層壓板，請聯系您的制造商，了解如何使用混合PCB疊層。

今天的模擬板通常在與模擬部分相同的板上包含一個數字部分。你應該如何在你的堆疊中處理這些？在混合信號PCB中，電源和接地的建議通常不同，這取決于您的模擬和數字部分是否需要在它們之間進行任何直接布線。

混合信號接地

如果您的電路板也有一個數字部分，那么在您的組件放置方面，事情會變得更加復雜。通常，由于數字電路的速度，您不應使用物理上分離的地平面，而應使用單個地平面。嘗試規劃您的布局，以便數字和模擬塊的返回路徑自然分離。這在低頻下很困難，這就是為什么如此多的設計指南繼續提倡使用單獨的模擬和數字接地層的原因。

混合信號電源

對于混合信號電源，電源平面通常分為數字和模擬部分，類似于在不同電源電壓下工作的數字電源平面所做的工作。這些部分應位于同一層中，并參考相鄰層上的同一接地平面。另外，最好將數字電源軌只放在電路板的數字部分，模擬電源軌也是如此。

模擬和數字 PWR/GND 部分的布置示意圖。

如果必須使用上圖左側的排列，則不應將分開的數字和模擬電源平面放在兩個相鄰的層中，使平面重疊。如果這兩個平面在相鄰層中確實重疊，則這兩個平面將在重疊區域之間具有高電容，從而產生強位移電流。由于這兩個平面之間的電位在切換過程中波動，因此這會導致射頻頻率的腔發射。

此外，您不應通過在模擬和數字部分之間的間隙上布線來創建數字和模擬部分之間的接口。要了解原因，請查看這篇文章。您需要的接口可以由 ADC 提供，該 ADC 可能內置在您的主機控制器中，也可以是專用 IC。

模擬PCB布局中的元件放置

就像上面的 PWR/GND 平面圖暗示的那樣，只在模擬部分放置模擬組件，在數字部分只放置數字組件。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。帶有一些重要布局指南的兩個最有趣的組件是 ADC 和放大器（包括運算放大器）。雖然我很想在這里提及 PLL，但這些電路依賴于大量時鐘路由和精確時序，最好單獨寫一篇文章。

處理未使用的運算放大器

一個必然出現在模擬板上的組件是運算放大器。在許多運算放大器 IC 中，一些運算放大器將被閑置。IC 上任何未使用的引線都應正確端接。IC 中運算放大器上的未端接（即浮動）引線會產生噪聲并傳播到工作 IC 中，從而降低信號完整性。

如果您使用的是單電源軌，您應該首先將輸出短接到反相輸入。這會產生負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。這會將輸入電位設置為線性范圍的中點。如果您使用的是分離軌，您可以簡單地將輸出短接到反相輸入并將同相輸入接地。

功率放大器的問題

在低頻時，放大器不會受到任何其他PCB不適用的特殊限制。對于以高頻運行的功率放大器，情況有所不同，因為放大器輸出可能會不穩定，這表現為意外的正反饋。您可以使用一些模擬來跟蹤耦合回放大器輸入，盡管這些需要一個可以直接與您的PCB布局接口的場解算器。要詳細了解這個涉及 RF 功率放大器的有趣信號完整性問題。

放置 ADC 的位置

ADC 是您的模擬信號與數字世界連接的地方，因此該部分需要小心放置，因為它將包含數字部分。分立式 ADC 最好大致沿著數字和模擬部分之間的邊界放置。事實上，這可能是在具有分離地平面的混合信號系統中創建接口的唯一可接受的方式，因為硅芯片上的地平面可以為輸入/輸出信號提供參考平面。但是，如果您使用統一的接地平面，則放置 ADC 以及接地平面提供的屏蔽將具有更大的靈活性。

模擬PCB布線指南

模擬PCB中的布線就是確保沿互連發送的模擬信號在互連的接收器側不會顯著失真。在使用模擬 PCB 時，您的凈計數通常比在數字PCB中少得多，因此您可以盡早嘗試一些可能的布局，直到找出可解決的平面圖。以下是一些路線指南，可幫助您：

走線長度：一般來說，盡量保持模擬PCB中的走線短而直，隨著信號頻率的提高，這一點非常重要。除了損耗之外，還要注意信號的臨界長度。

強制阻抗匹配： 即使您的走線長度很短，無論如何強制阻抗匹配仍然是一個好主意。這可能意味著您需要在重要的電路或組件上設計一些阻抗匹配網絡，以確保電路之間的無反射功率傳輸。

考慮共面布線：您可以利用共面PCB布線來確保高隔離度而不犧牲阻抗。您仍然可以在違反關于澆銅的“3W”間隙規則的同時強制進行阻抗控制。

最小化過孔的使用： 每個過孔都會增加互連 S 參數的損耗，因此最好將這些損耗最小化，并在可能的情況下僅進行必要的層轉換。對于那些仍然存在的通孔，它們可能會像天線一樣產生強烈的輻射

根據您將在電路板中使用的主頻率，您可能會考慮通過平面層之間的內部層進行布線。當需要隔離時，內部層上的更高頻率帶狀線或共面布線是首選，只要最小化過孔轉換即可。還要確保您的過孔尺寸合適，并與帶有反焊盤的平面間隔適合您的工作頻率，盡管這說起來容易做起來難，也不容易計算。這個特定點應該通過測量（S 參數）進行檢查，因為附近的平面和其他導體將在信號轉換到內層期間修改過孔阻抗。

在模擬PCB布局中有很多需要考慮的問題，但正確的設計工具和規則驅動的設計軟件將幫助您實施所需的指導方針，以保持模擬系統無噪聲并確保信號/電源完整性。 Altium Designer的? 包含任何模擬，數字或混合信PCB在單一設計環境，包括強大的路由工具，以幫助您保持高效的最佳PCB布局特點。