【導讀】本文將詳細說明在設計混合信號PCB的布局時應考慮的內容。本文涉及元件放置
、電dian路lu板ban分fen層ceng和he接jie地di平ping麵mian方fang麵mian的de考kao量liang，文wen中zhong討tao論lun的de準zhun則ze為wei混hun合he信xin號hao板ban的de布bu局ju設she計ji提ti供gong了le一yi種zhong實shi用yong方fang法fa
，對dui所suo有you背bei景jing的de工gong程cheng師shi應ying當dang都dou能neng有you所suo幫bang助zhu。

混合信號PCB設計要求對模擬和數字電路有基本的了解，以最大程度地減少（如果不能防止的話）信號幹擾。構成現代係統的元件既有在數字域運行的元件，又有在模擬域運行的元件，必須精心設計以確保整個係統的信號完整性。

作為混合信號開發過程的重要組成部分，PCB布bu局ju可ke能neng令ling人ren生sheng畏wei，而er元yuan件jian放fang置zhi僅jin僅jin是shi開kai始shi。還hai有you其qi他ta因yin素su必bi須xu考kao慮lv

，包bao括kuo電dian路lu板ban各ge層ceng以yi及ji如ru何he適shi當dang管guan理li這zhe些xie層ceng，以yi最zui大da程cheng度du地di減jian少shao寄ji生sheng電dian容rong （PCB的平麵間層之間可能會意外產生此類電容）引起的幹擾。

接地也是混合信號係統的PCB布(bu)局(ju)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)步(bu)驟(zhou)。盡(jin)管(guan)接(jie)地(di)是(shi)行(xing)業(ye)中(zhong)經(jing)常(chang)爭(zheng)論(lun)的(de)一(yi)個(ge)話(hua)題(ti)，但(dan)對(dui)於(yu)工(gong)程(cheng)師(shi)來(lai)說(shuo)，製(zhi)定(ding)一(yi)套(tao)標(biao)準(zhun)化(hua)方(fang)法(fa)不(bu)一(yi)定(ding)是(shi)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)任(ren)務(wu)。例(li)如(ru)
，高(gao)質(zhi)量(liang)接(jie)地(di)的(de)某(mou)個(ge)單(dan)一(yi)問(wen)題(ti)可(ke)能(neng)會(hui)影(ying)響(xiang)高(gao)性(xing)能(neng)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)PCB設計的整個布局。因此，不應忽略此方麵。

元件放置

yujianzaofangwuleisi
，fangzhidianluyuanjianzhiqianbixuchuangjianxitongdepingmianguihuatu。cibuzhoujiangdiandingxitongshejidezhengtiwanzhengxing，bingyingyouzhuyubimiangaozaoshengxinhaoganrao。

zaizhidingpingmiantushi，jianyizunxunyuanlitudexinhaolujing，youqishiduiyugaosudianlu。yuanjiandeweizhiyeshishejideguanjianfangmian。shejirenyuanyingnengshibiezhongyaodegongnengmokuai、信號以及模塊之間的連接
，從而確定各元件在係統中的最佳位置。例如，連接器最好放置在板的邊緣
，而輔助元件（如去耦電容和晶振）必須盡可能靠近混合信號器件放置。

模擬和數字模塊分離

為了盡量減少模擬和數字信號的共同返回路徑
，可以考慮模擬和數字模塊分離，以使模擬信號不會與數字信號混合。

圖1. 模擬和數字電路分離

圖1顯示了模擬和數字電路分離的一個很好的例子。分割模擬和數字部分時應注意以下事項：

●   建議將敏感的模擬元件（如放大器和基準電壓源）放置在模擬平麵內。類似地，高噪聲的數字元件（如邏輯控製和時序模塊）必須放在另一側/數字平麵上。

●   如果係統包含一個具有低數字電流的混合信號模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)，則對此的處理方式可以與模擬平麵中包含的模擬元件相似。

●   對於具有多個高電流ADC和DAC的設計，建議將模擬和數字電源分開。也就是說
， AVCC 必須與模擬部分綁定
，而DVDD應連接到數字部分。

●   微wei處chu理li器qi和he微wei控kong製zhi器qi可ke能neng會hui占zhan用yong空kong間jian並bing產chan生sheng熱re量liang。這zhe些xie器qi件jian必bi須xu放fang置zhi在zai電dian路lu板ban的de中zhong心xin以yi便bian更geng好hao地di散san熱re
，同tong時shi應ying靠kao近jin與yu其qi相xiang關guan的de電dian路lu模mo塊kuai。

電源模塊

電源是電路的重要組成部分
，應妥善處理。根據經驗，電源模塊必須與電路的其餘部分隔離，同時仍應靠近其供電的元件。

複雜係統中的器件可能有多個電源引腳，在這種情況下，模擬部分和數字部分可以分別使用專用電源模塊，以避免高噪聲數字幹擾。

另一方麵，電源布線應短而直，並使用寬走線以減小電感和避免限流。

去耦技術

電源抑製比(PSRR)是設計人員在實現係統目標性能時必須考慮的重要參數之一。PSRR衡量器件對電源變化的靈敏度，最終將決定器件的性能。

為了保持最佳PSRR，有必要防止高頻能量進入器件。為此
，可以利用電解電容和陶瓷電容的組合將器件電源適當去耦到低阻抗接地平麵。

適當去耦的目的是為電路運行創造一個低噪聲環境。基本規則是通過提供最短路徑來使電流輕鬆返回。

設計人員務必注意關於每個器件的高頻濾波建議。更重要的是
，該清單將用作指南，提供一般去耦技術及其正確的實施方案：

●   dianjiedianrongchongdangshuntaidianliudedianhechucunqi
，yizuidachengdudijiangdidianyuanshangdedipinzaosheng，erdidiangantaocidianrongyongyujiangdigaopinzaosheng。lingwai，tieyangticizhushikexuande，danhuizengjiagaopinzaoshenggelihequou。

●   去qu耦ou電dian容rong必bi須xu盡jin可ke能neng靠kao近jin器qi件jian的de電dian源yuan引yin腳jiao放fang置zhi。這zhe些xie電dian容rong應ying通tong過guo過guo孔kong或huo短duan走zou線xian連lian接jie到dao低di阻zu抗kang接jie地di平ping麵mian的de較jiao大da區qu域yu，以yi最zui大da程cheng度du地di減jian少shao附fu加jia串chuan聯lian電dian感gan。

●   較小電容（通常為0.01μF至0.1μF）應盡可能靠近器件的電源引腳放置。當器件同時有多個輸出切換時
，這種布置可防止運行不穩定。電解電容（通常為10μF至100μF）距離器件的電源 引腳應不超過1英寸。

●   為使實施更輕鬆，可以利用器件GND引腳附近的過孔通過T型連接將去耦電容連接到接地平麵，而不是創建走線。示例參見圖2。

圖2. 電源引腳的去耦技術

電路板層

一旦完成元件放置和平麵規劃圖，我們就可以看看電路板設計的另一個方麵——通常稱之為電路板層。強烈建議先考慮電路板層，再進行PCB布線，因為這將確定係統設計的允許回流路徑。

電路板層指電路板中銅層的垂直布置。這些層應管理整個電路板的電流和信號。

圖3. 4層PCB示例

圖3顯示了電路板各層的視覺表示。表1詳細說明了一個典型4層PCB的設置：

表1. 典型4層PCB

通常

，高性能數據收集係統應有四層或更多層。頂層通常用於數字/模擬信號，而底層用於輔助信號。第二層（接地層）充當阻抗控製信號的參考平麵，用於減少IR壓降並屏蔽頂層中的數字信號。最後，電源平麵位於第三層。

電源和接地平麵必須彼此相鄰，因為它們提供了額外的平麵間電容，有助於電源的高頻去耦。

duiyujiediceng，zhexienianlaizhenduihunhexinhaoshejidejianyiyigaibian。duonianlai，jiangjiedipingmianfenweimoniheshuziliangbufenshiyoudaolide，danshiduiyuxiandaidehunhexinhaoqijian，jianyicaiyongyizhongxinfangfa。shidangdepingmianguihuahexinhaofenliyingnengfangzhigaozaoshengxinhaodexiangguanwenti。

接地平麵：分離還是不分離
？

接地是混合信號PCB布局設計中的一個重要步驟。典型4層PCBzhishaoxuyouyicengzhuanmenyongyujiedipingmian，yiquebaofanhuixinhaotongguodizukanglujingfanhui。suoyoujichengdianlujiediyinjiaoyingluyoubingzhijielianjiedaodizukangjiedipingmian
，congerjiangchuanliandianganhedianzujiangzhizuidi。

對dui於yu混hun合he信xin號hao係xi統tong
，分fen離li模mo擬ni和he數shu字zi接jie地di已yi成cheng為wei一yi種zhong標biao準zhun接jie地di方fang法fa。但dan是shi
，具ju有you低di數shu字zi電dian流liu的de混hun合he信xin號hao器qi件jian最zui好hao通tong過guo單dan一yi接jie地di進jin行xing管guan理li。更geng進jin一yi步bu，設she計ji人ren員yuan必bi須xu根gen據ju混hun合he信xin號hao電dian流liu需xu求qiu考kao慮lv哪na種zhong接jie地di做zuo法fa最zui合he適shi。設she計ji人ren員yuan須xu考kao慮lv兩liang種zhong接jie地di做zuo法fa。

單一接地平麵

對於具有單個低數字電流ADC或DAC的de混hun合he信xin號hao係xi統tong，單dan一yi實shi接jie地di平ping麵mian會hui是shi最zui佳jia方fang法fa。要yao理li解jie單dan一yi接jie地di層ceng的de重zhong要yao性xing
，我wo們men需xu要yao回hui顧gu返fan回hui電dian流liu。返fan回hui電dian流liu是shi指zhi返fan回hui接jie地di以yi及ji器qi件jian之zhi間jian的de走zou線xian以yi形xing成cheng一yi個ge完wan整zheng環huan路lu的de電dian流liu。為wei了le防fang止zhi混hun合he信xin號hao幹gan擾rao，必bi須xu跟gen蹤zong整zheng個gePCB布局中的每條返回路徑。

圖4. 采用實接地平麵的係統的返回電流

圖4中zhong的de簡jian單dan電dian路lu顯xian示shi了le單dan一yi實shi接jie地di平ping麵mian相xiang對dui於yu分fen離li接jie地di平ping麵mian的de優you勢shi。信xin號hao電dian流liu具ju有you大da小xiao相xiang等deng但dan方fang向xiang相xiang反fan的de返fan回hui電dian流liu。該gai返fan回hui電dian流liu在zai接jie地di平ping麵mian中zhong流liu回hui源yuan，它ta將jiang沿yan著zhe阻zu抗kang最zui小xiao的de路lu徑jing流liu動dong。

對dui於yu低di頻pin信xin號hao，返fan回hui電dian流liu將jiang沿yan著zhe電dian阻zu最zui小xiao的de路lu徑jing流liu動dong
，通tong常chang是shi器qi件jian接jie地di基ji準zhun點dian之zhi間jian的de直zhi線xian。但dan對dui於yu較jiao高gao頻pin率lv信xin號hao
，返fan回hui電dian流liu的de一yi部bu分fen會hui嚐chang試shi沿yan著zhe信xin號hao路lu徑jing返fan回hui。這zhe是shi因yin為wei沿yan此ci路lu徑jing的de阻zu抗kang較jiao低di，流liu出chu和he返fan回hui的de電dian流liu之zhi間jian形xing成cheng的de環huan路lu最zui小xiao。

模擬地和數字地分離

對於難以采用實接地方案的複雜係統
，分離接地可能更合適。分離接地平麵是另一種常用方法，接地平麵一分為二：模擬接地平麵和數字接地平麵。這適用於具有多個混合信號器件並消耗高數字電流的更複雜係統。圖5顯示了采用分離接地平麵的係統示例。

圖5. 采用分離接地平麵的係統的返回電流

對dui於yu采cai用yong分fen離li接jie地di平ping麵mian的de係xi統tong，實shi現xian整zheng體ti接jie地di的de最zui簡jian單dan解jie決jue方fang案an是shi消xiao除chu接jie地di平ping麵mian的de中zhong斷duan，並bing允yun許xu返fan回hui電dian流liu采cai取qu更geng直zhi接jie的de路lu線xian，通tong過guo星xing形xing接jie地di交jiao界jie處chu流liu回hui。星xing形xing接jie地di是shi混hun合he信xin號hao布bu局ju設she計ji中zhong模mo擬ni和he數shu字zi接jie地di平ping麵mian連lian接jie在zai一yi起qi的de交jiao界jie處chu。

在zai常chang見jian係xi統tong中zhong，星xing形xing接jie地di可ke以yi與yu模mo擬ni和he數shu字zi接jie地di平ping麵mian之zhi間jian的de簡jian單dan狹xia窄zhai連lian續xu交jiao界jie相xiang關guan。對dui於yu更geng複fu雜za的de設she計ji
，星xing形xing接jie地di通tong常chang用yong跳tiao線xian分fen流liu到dao接jie地di接jie頭tou來lai實shi現xian。星xing形xing接jie地di中zhong沒mei有you電dian流liu流liu動dong，因yin此ci不bu需xu要yao承cheng載zai高gao電dian流liu的de接jie頭tou和he跳tiao線xian分fen流liu器qi。星xing形xing接jie地di的de主zhu要yao作zuo用yong是shi確que保bao兩liang個ge接jie地di具ju有you相xiang同tong的de基ji準zhun電dian平ping。

設計人員務必檢查每個器件的數據手冊中提供的接地建議，確保符合接地要求並避免與接地有關的問題。另一方麵
，具有AGND和DGND引(yin)腳(jiao)的(de)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)與(yu)各(ge)自(zi)的(de)接(jie)地(di)平(ping)麵(mian)相(xiang)連(lian)因(yin)為(wei)星(xing)形(xing)接(jie)地(di)也(ye)會(hui)在(zai)一(yi)點(dian)上(shang)連(lian)接(jie)兩(liang)種(zhong)接(jie)地(di)。這(zhe)樣(yang)，所(suo)有(you)高(gao)噪(zao)聲(sheng)數(shu)字(zi)電(dian)流(liu)都(dou)會(hui)流(liu)過(guo)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)，一(yi)直(zhi)流(liu)到(dao)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)平(ping)麵(mian)，並(bing)回(hui)到(dao)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)
，同(tong)時(shi)與(yu)敏(min)感(gan)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)隔(ge)離(li)。AGND和DGND平麵的隔離必須在多層PCB的所有層上實現。

其他常見接地做法

可以采用下麵的步驟或檢查清單來確保在混合信號/數字係統中實施了適當的接地方案：

●   星形接地點的連接應由較寬的銅走線構成。

●   檢查接地平麵有無窄走線，這些連接是不合需要的。

●   提供焊盤和過孔很有用
，以便在必要時可以連接模擬和數字接地平麵。

結論

混合信號應用的PCB布bu局ju可ke能neng很hen有you挑tiao戰zhan性xing。創chuang建jian元yuan件jian平ping麵mian規gui劃hua圖tu隻zhi是shi起qi點dian。當dang努nu力li實shi現xian混hun合he信xin號hao係xi統tong布bu局ju的de最zui佳jia性xing能neng時shi，正zheng確que管guan理li電dian路lu板ban層ceng和he製zhi定ding適shi當dang的de接jie地di方fang案an也ye是shi係xi統tong設she計ji人ren員yuan必bi須xu考kao慮lv的de關guan鍵jian點dian之zhi一yi。製zhi定ding元yuan件jian平ping麵mian規gui劃hua圖tu將jiang有you助zhu於yu奠dian定ding係xi統tong設she計ji的de整zheng體ti完wan整zheng性xing。適shi當dang地di組zu織zhi電dian路lu板ban層ceng將jiang有you助zhu於yu管guan理li整zheng個ge電dian路lu板ban的de電dian流liu和he信xin號hao。最zui後hou，選xuan擇ze最zui有you利li的de接jie地di方fang案an將jiang會hui改gai善shan係xi統tong性xing能neng
，並bing防fang止zhi與yu高gao噪zao聲sheng信xin號hao和he返fan回hui電dian流liu相xiang關guan的de問wen題ti發fa生sheng。

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