關鍵要點：

?如何為混合信號設計布局電路板

?關于限制電磁干擾（EMI）的討論

?了解可靠信號的地面和參考平面設置

現在幾乎在每一個新的電子設備上都能發現混合信號，擁有強大的基礎對于下一代設備的開發至關重要。

過去，電子產品通常由不同的單獨電路板組成，每個電路板都有自己的特定功能。然而，隨著設備的進一步最小化和功能的增加，這些過去的多板設計正逐漸被包含模擬和數字信息的單板（也稱為混合信號板）所淘汰。現代電子技術現在比以往任何時候都更能記錄和數字化現實世界的不同元素；從溫度到運動等等。這些不同的元件被捕獲為模擬信號，這些模擬信號必須被處理并通過模數轉換器轉換為數字信號，以便與計算機和服務器接口。混合信號板在確保這些模擬信號的完整性而不在包含數字信號的板上引入顯著噪聲方面面臨著獨特的挑戰——這是混合信號設計的關鍵。讓我們深入研究這種類型的設計，看看如何處理敏感的模擬電路、布線、電源傳輸和EMI屏蔽。混合信號設計：基礎

電路板中有很多信號是混合的。使用高級CAD程序將有助于在布局時保持有序。

我們將要討論的許多混合信號設計技巧分為兩類：第一類是減少電磁干擾等噪聲，第二類是使設計盡可能不受現有噪聲的影響。在布線銅線之前，為混合信號設計制定一個強有力的平面布置圖是很重要的。一個好的平面布置圖將有助于元件的放置和布線。這樣做可以確保提供不同功能的電路的每個塊在板上都有自己的包含區域。為此，將類似用途的模擬組件相互組合在一起，并對數字組件進行相同操作。最重要的是，將模擬和數字部分彼此分離。數字部分離模擬部分越遠越好。分離可以包括使用雙面板的頂部和底部或單板的左側和右側——只要它們之間有足夠的空間。一般來說，模擬信號是您需要采取大多數預防措施的地方。這些信號存在于一個連續的范圍內，而數字信號是二進制的——理論上，與模擬信號相比，這允許更大的誤差幅度。

需要遵循可制造性設計（DFM）規則來放置零件以獲得最佳的信號和功率完整性。這將有助于確保您的電路板的生產效率最高。

混合信號組件的放置和布局

設置一個好的疊層可以幫助消除板上的EMI。

一旦您的平面布置圖被布置好，組件放置是良好的混合信號設計的下一步。如前所述，保持模擬電路和數字電路之間的分區將有助于減少串擾和EMI，同時提高模擬信號的完整性。以重型電路為中心對于產生大量熱量的重型數字電路，如大型處理器和內存組件，請將它們集中在電路板上，以獲得更好的散熱效果。由于它們有很多連接它們的路由，因此將組件居中將使它們更容易訪問。其他數字部件，如ADC，應靠近并以類似方式居中。設置旁路電容器一旦你放置了所有的主要和大型組件，設置你的旁路電容器。將這些電容器放置在盡可能靠近數字電路的位置。在地面反彈或電源尖峰的情況下，它們可以幫助您的設備保持可靠的電源。允許直接路由最后，根據經驗，放置零件，以便在它們之間進行最直接的布線。避免造成需要在數字電路之間路由模擬電路的情況，反之亦然。這將進一步有助于減少噪音，并允許更短的軌跡，我們將在后面的章節中深入研究。物理屬性

板的成功取決于層堆疊的配置方式，特別是電源和地平面。在布線之前，請將圖層設置為易于訪問。具體而言，在需要較短信號返回路徑的組件的相鄰層上設置參考平面。這將有助于最小化噪聲并提高信號完整性。在配置層堆疊時，請記住您的平面布置圖，以確保您有適當的空間沿線路布線。疊層配置在限制EMI方面也是必不可少的。盡管減少層數可以節省制造成本，但它可能會產生整體信號完整性受損的最終結果。高速信號、敏感信號和噪聲電源電路應相互隔離。一個好的解決方案是為疊層創建額外的層，并為接地平面提供足夠的層來屏蔽這些信號免受EMI的影響。

布線指南

一旦你在電路板上布置好你的組件，并有一個良好的接地系統，大多數跟蹤路由就會自然到位。一般來說，路由的兩個基本規則是：

1. 保持信號路徑短而直接。

2. 使數字電路的跡線遠離模擬電路。

關于信號路徑長度，這應該適用于您的所有電路塊。電源的痕跡應該特別短，并且盡可能寬，以減少電感。確保從參考平面有一個短的信號返回路徑，以減少漂移。盡量減少過渡層，這樣可以增加長度對于高速電路，請盡可能靠近示意圖中的信號路徑。在布線走線和過孔時，也有可能創建天線，所以要集中精力減少環路大小。用重要的過孔布線模擬走線也會產生電感，因此也可以出于這個原因盡量減少層過渡。保護您的模擬信號對設備的可靠性至關重要。疊層中的金屬平面可以提供良好的屏蔽。因此，在帶狀線配置中在兩個平面層之間路由敏感信號是良好的實踐。如果沒有足夠的空間來擴大間距，請使用保護走線來防止兩個平行模擬走線之間的串擾。這也可以作為模擬和數字走線之間的屏蔽。最后，可以用過孔形成電路的功能分區之間的屏蔽邊界或圍欄。過孔圍欄既有效又易于放置，但請注意，它們會占用大量的板空間。使用先進的PCB軟件確實可以幫助進行這樣的設計。將組件緊密地放置在具有各種走線寬度的特定間距寬度需要詳細的數據庫管理。

混合信號板的供電擁有可靠的電源是強大電路性能不可或缺的一部分，尤其是對于混合信號設計。放置每個電源的電路，使其與敏感的模擬和數字電路隔離，同時也靠近組件本身。高速PCB由于其功率傳輸網絡（PDN）而經常遭受各種問題，例如瞬態振鈴。為了解決這個問題，在電源附近的設計中包括去耦電容器，并在堆疊中放置彼此相鄰的接地層和電壓層，以提供高的晶面電容。

此圖像顯示了一個接地平面，該接地平面的中心有一個用于過孔的大間隙。接地平面上的這個大間隙大大擴展了返回信號路徑，在電路中產生了各種不穩定性。

返回路徑的布局對電路板的運作也至關重要。信號不應穿過地平面斷裂的區域（見上圖）。具有許多過孔的平面或截面中的間隙可能會阻塞信號的返回路徑。這可能導致返回信號在返回源之前漂移，這是EMI和信號完整性降低的主要原因。確保信號返回路徑盡可能短，以獲得最佳板性能。屏蔽電路板免受EMI干擾

安裝在板上的大型EMI屏蔽的幾個示例。

信號可能會受到各種問題的影響，包括接地反彈、串擾、電源噪聲，尤其是電磁干擾（EMI）。EMI可以完全改變正常工作的電路板的功能。如果EMI處理不當，可能會出現以下任何問題：

?通信中斷

?干擾無線設備

?傳感器數據損壞

?組件故障

?軟件錯誤或故障

處理現有EMI的最佳方法是使用金屬屏蔽。通過從上面和四個側面用金屬覆蓋電路板的關鍵區域，使其不那么容易受到影響，在下面一層接地平面形成法拉第籠。這具有屏蔽大量不需要的EMI的能力。然而，屏蔽可能是有代價的：請注意，EMI屏蔽不是平的，需要允許訪問其下面的組件。此外，熱量可能會被困在這些防護罩下，除非它們被穿孔。理想情況下，使用這些屏蔽可以屏蔽所有傳入的EMI。然而，在現實中，需要有用于熱冷卻的開口、板上的焊點，以及足夠的空間進行潛在的小調整。PCB屏蔽的常見材料包括鍍錫軋鋼、時間鍍銅、不銹鋼等。

另一種進一步屏蔽的最后方法是使用差分對，其作用就像電話電纜中的雙絞線。這樣，它們可以比單端傳輸線更好地抑制共模噪聲。

減少噪聲源

噪音可能來自多種來源。最值得注意的是，來自振蕩器（晶體）或時鐘線以及大型電感器和電源周圍產生的電磁場。任何類型的大電壓波動都可能產生問題，除非拉電流的設備包含必要的電容器、鐵氧體磁珠、二極管和終端電阻器，并且布線保持在最小長度。該長度是從電源經過負載，然后返回接地平面的路徑。一般來說，較小的環路長度將產生較少的噪聲，從而產生較少的EMI。RF能量可以被附近的金屬物體（例如印刷天線）吸收。因此，在天線周圍放置接地過孔可能有助于減少不必要的干擾。為了進一步降低EMI，將天線印刷在外層上，其正下方的下層不含銅。最后一點：來自電路一部分或另一個設備的干擾可能會以不可預測的方式與現有的銅回路耦合。換句話說，任何傳導回路都可能成為不需要的天線。

地面和參照平面提示

有了所有敏感的電子設備，擁有一個精心設計的接地平面是至關重要的。為了使它們盡可能可靠，不要穿過帶有走線的平面的阻塞區域，因為穿過它們的布線可能會降低返回路徑，從而產生噪聲。理論上，分離平面可以在電路的模擬和數字區域之間創建更好的隔離。然而，在實踐中，在參考平面中使用分裂平面、切口或孔可能會導致EMI，并為信號返回路徑造成進一步的障礙。如果可能，請避免使用拆分平面。在非情況下，分離平面對混合信號設計至關重要，確保兩個平面在一個點上相互連接，因為多個連接點可以創建用于輻射EMI的天線環路。當使用完整的接地平面，模擬和數字部分分別布線時，可以產生清晰的返回路徑，從而減少總體EMI，而不是分裂平面。

結論

SPEED2000是用于分析和設計高速PCB的通用時域工具。軟件采用FDTD仿真技術進行多層電源地間的三維電磁場仿真。SPEED2000真實地再現實際系統中的電源地網絡，考慮封裝和印刷電路板中的各種電磁效應，包括電源地之間的波動（同步開關噪聲），過孔和走線之間的耦合，以及電路和封裝間的交互作用。