• 混合信號PCB設計的布局和布線方法解析(一)

    模仿電路的作業依賴連續改變的電流和電壓。數字電路的作業依賴在接納端依據預先界說的電壓電平或門限對高電平或低電平的檢測,它相當于判別邏輯狀況的“真”或“假”。在數字電路的高電平和低電平之間,存在“灰色”區域,在此區域數字電路有時表現出模仿效應,例如當從低電平向高電平(狀況)跳變時,假如數字信號跳變的速度足夠快,則將發生過沖和回鈴反射現象。關于現代板極規劃來說,混合信號PCB的概念比較含糊,這是因為即便在樸實的“數字”器材中,依然存在模仿電路和模仿效應。因此,在規劃初期,為了可靠完結嚴厲的時序分配,有必要對模仿效應進行仿真。實際上,除了通信產品有必要具備無故障持續作業數年的可靠性之外,大量生產的低成本/高性能消費類產品中特別需求對模仿效應進行仿真。

    現代混合信號PCB規劃的另一個難點是不同數字邏輯的器材越來越多,比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS邏輯,每種邏輯電路的邏輯門限和電壓擺幅都不同,可是,這些不同邏輯門限和電壓擺幅的電路有必要共同規劃在一塊PCB上。在此,通過透徹分析高密度、高性能、混合信號PCB的布局和布線規劃,你可以把握成功策略和技能。

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    混合信號電路布線根底

    當數字和模仿電路在同一塊板卡上同享相同的元件時,電路的布局及布線有必要考究方法。

    在混合信號PCB規劃中,對電源走線有特別的要求并且要求模仿噪聲和數字電路噪聲彼此隔離以避免噪聲耦合,這樣一來布局和布線的雜亂性就添加了。對電源傳輸線的特別需求以及隔離模仿和數字電路之間噪聲耦合的要求,使混合信號PCB的布局和布線的雜亂性進一步添加。

    假如將A/D轉換器中模仿放大器的電源和A/D轉換器的數字電源接在一起,則很有可能形成模仿部分和數字部分電路的彼此影響?;蛟S,因為輸入/輸出連接器方位的原因,布局計劃有必要把數字和模仿電路的布線混合在一起。

    在布局和布線之前,工程師要弄清楚布局和布線計劃的根本缺點。即便存在虛假判別,大部分工程師傾向運用布局和布線信息來識別潛在的電氣影響。

    現代混合信號PCB的布局和布線

    下面將通過OC48接口卡的規劃來論述混合信號PCB布局和布線的技能。OC48代表光載波標準48,根本上面向2.5Gb串行光通訊,它是現代通訊設備中高容量光通訊標準的一種。OC48接口卡包括若干典型混合信號PCB的布局和布線問題,其布局和布線進程將指明解決混合信號PCB布局計劃的次序和過程。

    OC48卡包括一個完結光信號和模仿電信號雙向轉換的光收發器。模仿信號輸入或輸出數字信號處理器,DSP將這些模仿信號轉換為數字邏輯電平,然后可與微處理器、可編程門陣列以及在OC48卡上的DSP和微處理器的體系接口電路相連接。獨立的鎖相環、電源濾波器和本地參閱電壓源也集成在一起。

    其間,微處理器是一個多電源器材,主電源為2V,3.3V的I/O信號電源由板上其他數字器材同享。獨立數字時鐘源為OC48I/O、微處理器和體系I/O供給時鐘。

    通過查看不同功能電路塊的布局和布線要求,初步主張選用12層板,如圖3所示。微帶和帶狀線層的裝備可以安全地削減附近走線層的耦合并改善阻抗操控。第一層和第二層之間設置接地層,將把靈敏的模仿參閱源、CPU核和PLL濾波器電源的布線與在第一層的微處理器和DSP器材相隔離。電源和接地層總是成對呈現的,與OC48卡上為同享3.3V電源層所做的相同。這樣將下降電源和地之間的阻抗,然后削減電源信號上的噪聲。

    要避免在附近電源層的當地走數字時鐘線和高頻模仿信號線,否則,電源信號的噪聲將耦合到靈敏的模仿信號之中。

    要依據數字信號布線的需求,細心考慮運用電源和模仿接地層的開口(split),特別是在混合信號器材的輸入和輸出端。在附近信號層穿過一開口走線會形成阻抗不連續和不良的傳輸線回路。這些都會形成信號質量、時序和EMI問題。

    有時添加若干接地層,或在一個器材下面為本地電源層或接地層運用若干外圍層,就可以撤銷開口并避免呈現上述問題,在OC48接口卡上就選用了多個接地層。堅持開口層和布線層方位的層疊對稱可以避免卡變形并簡化制作進程。因為1盎司覆銅板耐大電流的能力強,3.3V電源層和對應的接地層要選用1盎司覆銅板,其它層可以選用0.5盎司覆銅板,這樣,可以下降暫態高電流或尖峰期間引起的電壓波動。

    假如你從接地層往上規劃一個雜亂的體系,應選用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撐布線層及接地隔離層??ǖ暮穸冗€有必要依據過孔焊盤和孔的布線特征尺度調整,以便使鉆孔直徑與制品卡厚度的寬高比不超越制作商供給的金屬化孔的寬高比。

    假如要用最少的布線層數規劃一個低成本、高產量的商業產品,則在布局或布線之前,要細心考慮混合信號PCB上一切特別電源的布線細節。在開端布局和布線之前,要讓方針制作商復查初步的分層計劃。根本上要依據制品的厚度、層數、銅的分量、阻抗(帶容差)和最小的過孔焊盤和孔的尺度來分層,制作商應該書面供給分層主張。

    主張中要包括一切受控阻抗帶狀線和微帶線的裝備實例。要將你對阻抗的猜測與制作商對阻抗的結合起來考慮,然后,運用這些阻抗猜測可以驗證用于開發CAD布線規矩的仿真東西中的信號布線特性。

    OC48卡的布局

    在光收發器和DSP之間的高速模仿信號對外部噪聲十分靈敏。相同,一切特別電源和參閱電壓電路也使該卡的模仿和數字電源傳輸電路之間發生大量的耦合。有時,受機殼形狀的限制,不得不規劃高密度板卡。因為外部光纜接入卡的方位和光收發器部分元件尺度較高,使收發器在卡中的方位很大程度上被固定死。體系I/O連接器方位和信號分配也是固定的。這是布局之前有必要完結的根底作業。

    與大多數成功的高密度模仿布局和布線計劃相同,布局要滿意布線的要求,布局和布線的要求有必要相互兼顧。對一塊混合信號PCB的模仿部分和2V作業電壓的本地CPU內核,不引薦選用“先布局后布線”的方法。對OC48卡來說,DSP模仿電路部分包括有模仿參閱電壓和模仿電源旁路電容的部分應首要互動布線。完結布線后,具有模仿元件和布線的整個DSP要放到距離光收發器足夠近的當地,充沛確保高速模仿差分信號到DSP的布線長度最短、曲折和過孔最少。差散布局和布線的對稱性將削減共模噪聲的影響??墒?,在布線之前很難猜測布局的最佳計劃。

    要向芯片分銷商咨詢PCB排板的規劃攻略。在依照攻略規劃之前,要與分銷商的運用工程師充沛交流。許多芯片分銷商對供給高質量的布板主張有嚴厲的時刻限制。有時,他們供給的解決計劃關于運用該器材的“一級客戶”是可行的。在信號完整性(SI)規劃范疇,新器材的信號完整性規劃特別重要。依據分銷商的根本攻略并與封裝中每條電源和接地引腳的特定要求相結合,就可以開端對集成了DSP和微處理器的OC48卡布局布線。

    高頻模仿部分的方位和布線確認后,就可以依照框圖中所示的分組方法放置其余的數字電路。要注意細心規劃下列電路:對模仿信號靈敏度高的CPU中PLL電源濾波電路的方位;本地CPU內核電壓調整器;用于“數字”微處理器的參閱電壓電路。

    數字布線的電氣和制作原則標準此時才可以恰當地運用到規劃之中。前述對高速數字總線和時鐘信號的信號完整性的規劃,揭示出一些對處理器總線、平衡Ts及某些時鐘信號布線的時滯匹配的特別布線拓撲要求??墒悄慊蛟S不知道,也有人提出更新的主張,即添加若干端接電阻。

    在解決問題的進程中,布板階段做一些調整是當然的事??墒?,在開端布線之前,很重要的一步是依照布局計劃驗證數字部分的時序。此時此刻,對板卡進行完整DFM/DFT布局復查將有助于確保該卡滿意客戶的需求。

     

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