如何進(jìn)行電路板布局，實(shí)現(xiàn)混合信號設(shè)計。

探討如何抑制電磁干擾（EMI）。

了解如何設(shè)置接地和參考平面，以獲得可靠信號。

過去，電子設(shè)備通常由多塊功能不同的獨(dú)立電路板組成。然而，隨著設(shè)備不斷向小型化、多功能化發(fā)展，傳統(tǒng)的多板設(shè)計正逐漸被淘汰，取而代之的是集成模擬與數(shù)字電路的單板（即混合信號電路板）。

現(xiàn)代電子設(shè)備越來越側(cè)重于對現(xiàn)實(shí)世界中各種元素（如溫度、運(yùn)動等）的采集和數(shù)字化處理。這些元素先以模擬信號形式被捕獲，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而與計算機(jī)和服務(wù)器進(jìn)行交互。

混合信號電路板面臨著獨(dú)特挑戰(zhàn)：既要保持模擬信號的完整性，又要避免在包含數(shù)字信號的電路板上引入大量噪聲，這也是混合信號設(shè)計的關(guān)鍵所在。接下來，我們將深入探討混合信號設(shè)計，分析如何處理敏感模擬電路、布線、供電，做好 EMI 屏蔽。

如今，幾乎每一款新型電子設(shè)備都離不開混合信號技術(shù)。夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，是研發(fā)下一代設(shè)備的關(guān)鍵。

混合信號設(shè)計：基礎(chǔ)知識

混合信號電路板布局涉及諸多環(huán)節(jié)，借助高級 CAD 程序，您可以有序完成整個流程。

我們即將討論的混合信號設(shè)計技巧大致可歸為兩類：一是減少電磁干擾等噪聲，二是提升現(xiàn)有設(shè)計的抗干擾能力。

在開始布線之前，為混合信號設(shè)計制定完善的布局規(guī)劃至關(guān)重要。合理的規(guī)劃有助于指導(dǎo)器件布局和布線工作，確保電路板上不同功能模塊都擁有各自的區(qū)域。為此，應(yīng)將同類模擬器件集中布局，數(shù)字器件亦是如此。

最重要的是，將模擬器件與數(shù)字器件分開放置，盡可能拉大兩者之間的距離。隔離方式包括采用雙面板的上下區(qū)隔，或單板的左右分區(qū)——只要它們之間留有充足的空間即可。

一般而言，模擬信號需要最多的預(yù)防措施。模擬信號通常是連續(xù)的，而數(shù)字信號為二進(jìn)制信號（誤差容限更大）。在設(shè)計期間，必須遵循可制造性設(shè)計（DFM）規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)最佳的信號和電源完整性，進(jìn)而提高電路板的制造效率和良率。

混合信號器件布局

設(shè)計良好的疊層有助于消除電路板上的 EMI。

完成平面規(guī)劃后，良好混合信號設(shè)計的下一關(guān)鍵步驟是器件布局。如前所述，保持模擬電路與數(shù)字電路之間的分隔狀態(tài)，有助于減少串?dāng)_和 EMI，同時提高模擬信號的完整性。

重載電路居中布置

對于發(fā)熱量較大的重載數(shù)字電路（如大型處理器和存儲器件），應(yīng)將其置于電路板的中心區(qū)域，以便更好地散發(fā)熱量。由于這類器件間互連密集，居中放置有助于提升其可訪問性。ADC 等其他數(shù)字元件應(yīng)就近放置，并盡量置于中心區(qū)域。

旁路電容器配置

完成主要大型器件布局后，接下來是布置旁路電容器。這些電容器應(yīng)緊貼數(shù)字電路放置，在出現(xiàn)地彈或電源浪涌等情況時，有助于確保穩(wěn)定供電。

直接布線

最后，在放置器件時，應(yīng)優(yōu)先選擇最直接的布線路徑，避免讓模擬電路穿越數(shù)字電路，反之亦然。這將進(jìn)一步幫助減少噪聲、縮短走線長度，具體布線技巧將在后續(xù)章節(jié)中詳述。

疊層設(shè)計

電路板的性能取決于疊層構(gòu)造，尤其是電源層和接地平面。在布線之前，應(yīng)先合理設(shè)置層疊結(jié)構(gòu)。具體來說，在器件相鄰層設(shè)置參考平面，可以縮短信號回流路徑，從而最大限度地減少噪聲，提高信號完整性。在規(guī)劃層疊結(jié)構(gòu)時，應(yīng)結(jié)合平面布局策略，確保有充足的布線空間。

疊層配置對于抑制 EMI 同樣至關(guān)重要。雖然減少層數(shù)可以節(jié)約制造成本，但可能會破壞整體信號完整性。高速信號、敏感信號和噪聲較大的電源電路應(yīng)相互隔離。理想的解決方案是增加電路板層數(shù)，并提供充足的接地平面，以保護(hù)這些信號免受 EMI。

布線指南

在混合信號設(shè)計中，盡可能縮短和加寬走線是一項(xiàng)關(guān)鍵布線原則。

在電路板上完成器件布局并建立良好的接地系統(tǒng)后，大多數(shù)走線布線自然會遵循正確的路徑。一般來說，布線遵循兩條基本規(guī)則：

信號路徑要簡短、直接。

數(shù)字電路走線需遠(yuǎn)離模擬電路。

信號路徑長度的要求適用于所有電路模塊。電源走線需要短而寬，以降低線路電感。確保參考平面的信號返回路徑盡可能短，以減少漂移。在布線過程中盡量減少跨層過渡，因?yàn)檫@也會增加路徑長度。

對于高速電路，應(yīng)盡可能按照原理圖信號邏輯布線。不當(dāng)?shù)牟季€和過孔布局有可能引起天線效應(yīng)，因此需重點(diǎn)縮小環(huán)路尺寸。對于模擬走線，使用大量過孔也會產(chǎn)生電感，因此也要盡量減少層間轉(zhuǎn)換。

保護(hù)模擬信號對設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。層疊結(jié)構(gòu)中的金屬平面能夠提供良好的屏蔽效果，因此建議將敏感信號以帶狀線形式布設(shè)在兩個平面層之間。若因空間限制無法加大間距，可采用屏蔽線來抑制兩條平行模擬走線之間的串?dāng)_。此法也可用于模擬與數(shù)字走線之間的屏蔽。最后，還可以利用過孔在電路功能分區(qū)之間形成屏蔽邊界或柵欄。過孔柵欄效果顯著且易于實(shí)現(xiàn)，但會占用較多的電路板空間。

使用先進(jìn)的 PCB 軟件有助于提升此類設(shè)計的效率。在對器件進(jìn)行緊密排布時，既要滿足特定的間距要求，又要適配不同的走線寬度，這一過程需要依托完善的數(shù)據(jù)庫來控制。利用 CAD 系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則來管理這些約束條件，有助于實(shí)現(xiàn)有序布局。

混合信號電路板的供電

可靠的電源是保障電路高性能的關(guān)鍵，對于混合信號設(shè)計尤為重要。電源電路的布局需滿足兩個條件：一是與敏感的模擬和數(shù)字電路隔離，二是盡可能靠近目標(biāo)器件。

高速 PCB 常因其電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）而出現(xiàn)各種問題，例如瞬態(tài)振鈴。為此，我們可以在電源附近放置去耦電容，并在疊層中將接地層與電壓層相鄰放置，以形成更高的層間電容。

圖中所示接地平面的中間位置存在較大的過孔間隙，這會顯著延長返回信號路徑，從而引發(fā)各種電路不穩(wěn)定現(xiàn)象。

此外，平面本身的布局對電路板性能也至關(guān)重要。信號走線應(yīng)避免穿過接地平面的斷裂區(qū)域（見上圖）。平面上的間隙或過孔密集區(qū)域會阻斷信號返回路徑，導(dǎo)致返回信號在回到源端前發(fā)生漂移，這是產(chǎn)生 EMI 和降低信號完整性的主要原因。因此，應(yīng)確保信號返回路徑盡可能短，以實(shí)現(xiàn)最佳的電路板性能。

保護(hù)電路板免受電磁干擾

可能在電路板上使用的大型 EMI 屏蔽罩示例。

信號可能受到多種問題影響，包括地彈、串?dāng)_、電源噪聲，尤其是電磁干擾（EMI）。電磁干擾會嚴(yán)重影響電路板的正常功能。如果處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致：

通信中斷

無線設(shè)備受擾

傳感器數(shù)據(jù)損壞

器件故障

軟件錯誤或故障

為解決現(xiàn)有電磁干擾，最有效的方式是采用金屬屏蔽罩。在電路板的關(guān)鍵區(qū)域上面及四周覆蓋金屬屏蔽罩，并與下方的接地平面構(gòu)成一個法拉第籠，降低電路板對電磁干擾的敏感度，同時屏蔽大部分電磁干擾。

不過，該方法也存在一定局限性：EMI 屏蔽罩并非完全平整，需預(yù)留空間，以便訪問下方器件。此外，屏蔽罩應(yīng)采用穿孔設(shè)計，否則會阻礙散熱。它們也會增加電路板的整體復(fù)雜度，給調(diào)試和測試帶來困難。

理想情況下，屏蔽罩應(yīng)能完全阻隔外部電磁干擾。但在實(shí)際設(shè)計中，還需要為散熱、電路板焊接點(diǎn)預(yù)留開口，并為后期調(diào)整留出充足的空間。常用的PCB 屏蔽罩材料包括鍍錫軋鋼、鍍銅、不銹鋼等。

另一種屏蔽方法是使用差分線對，其原理類似于電話線中的雙絞線，能比單端傳輸線更有效地抑制共模噪聲。

減少噪聲源

噪聲的來源多種多樣，主要來自振蕩器（晶體）或時鐘線以及大型電感器和電源周圍產(chǎn)生的電磁場。

任何較大的電壓擺幅都可能引發(fā)問題，除非電流負(fù)載端已配備必要的電容、鐵氧體磁珠、二極管和終端電阻，并將布線長度（從電源經(jīng)負(fù)載返回接地平面的路徑）控制在最小。一般來說，環(huán)路越小，產(chǎn)生的噪聲與電磁干擾越少。

射頻能量會被附近的金屬物體（如印刷天線）吸收。因此，在天線周圍設(shè)置接地過孔可能有助于減少不必要的干擾。為進(jìn)一步減少電磁干擾，可將天線印制在外層，并確保其正下方的基層不含銅。

最后需注意：來自電路某一部分或其他設(shè)備的干擾，可能會以不可預(yù)知的方式與現(xiàn)有銅環(huán)路耦合。換句話說，任何導(dǎo)電環(huán)路都可能成為不必要的天線。為避免這種情況的發(fā)生，建議使用仿真工具來分析電路板特性，了解其實(shí)際運(yùn)行狀況。

接地和參考平面設(shè)計要點(diǎn)

印刷電路板上的分割平面示例。

對于包含大量敏感電子元件的電路板，設(shè)計良好的接地平面至關(guān)重要。為確保電路可靠性，應(yīng)避免在平面的阻塞區(qū)域布線，因?yàn)檫@會延長信號返回路徑，進(jìn)而引入噪聲。

理論上，分割平面可在電路的模擬與數(shù)字區(qū)域之間形成更好的隔離。但在實(shí)際應(yīng)用中，參考平面上的分割平面、切口或孔洞可能會導(dǎo)致電磁干擾，并為信號返回路徑制造障礙。如有可能，應(yīng)避免使用分割平面。如果混合信號設(shè)計中必須采用分割平面，應(yīng)確保兩個平面僅在一點(diǎn)連接，因?yàn)槎帱c(diǎn)連接會形成天線環(huán)路，成為電磁干擾輻射的主要來源。相比之下，采用完整的接地平面，并分別為模擬和數(shù)字器件布線，能夠建立清晰的返回路徑，從而降低整體電磁干擾。

使用 ECAD 工具管理設(shè)計

智能 ECAD 軟件能夠?yàn)榛旌闲盘栐O(shè)計提供有力支持。以走線布線為例，PCB 工具支持用戶設(shè)置走線寬度和其他關(guān)鍵設(shè)計規(guī)則，以確保設(shè)計符合規(guī)范要求。尤其是在混合信號設(shè)計中，用戶可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)布線所需的各種走線寬度，如差分對、阻抗控制走線、不同的敏感模擬信號、電源和接地平面等。其他實(shí)用功能還包括3D 視圖，該功能尤其適用于為設(shè)計配置 EMI 屏蔽罩的場景。