高速pcb設(shè)計(jì)指南之六(已修改)
2025-05-30 14:00 本頁面
【正文】 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 1 頁 共 25 頁 高速 PCB 設(shè)計(jì)指南之六 第一篇 混合信號電路板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 模擬電路的工作依賴連續(xù)變化的電流和電壓。數(shù)字電路的工作依賴在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門限對高電平或低電平的檢測，它相當(dāng)于判斷邏輯狀態(tài)的 “真 ”或 “假 ”。在數(shù)字電路的高電平和低電平之間，存在 “灰色 ”區(qū)域，在此區(qū)域數(shù)字電路有時(shí)表現(xiàn)出模擬效應(yīng)，例如當(dāng)從低電平向高電平 (狀態(tài) )跳變時(shí)，如果數(shù)字信號跳變的速度足夠快，則將產(chǎn)生過沖和回鈴反射現(xiàn)象。 對于現(xiàn)代板極設(shè)計(jì)來說，混合信號 PCB 的概念比較模糊，這是因?yàn)榧词乖诩兇獾?“數(shù)字 ”器件中，仍然 存在模擬電路和模擬效應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)初期，為了可靠實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)序分配，必須對模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。實(shí)際上，除了通信產(chǎn)品必須具備無故障持續(xù)工作數(shù)年的可靠性之外，大量生產(chǎn)的低成本 /高性能消費(fèi)類產(chǎn)品中特別需要對模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。 現(xiàn)代混合信號 PCB 設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)是不同數(shù)字邏輯的器件越來越多，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，但是，這些不同邏輯門限和電壓擺幅的電路必須共同設(shè)計(jì)在一塊 PCB 上。在此，通過透徹分析高密度、高性能、混合信號 PCB 的布局和布線設(shè) 計(jì)，你可以掌握成功策略和技術(shù)。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 2 頁 共 25 頁 一、 混合信號電路布線基礎(chǔ) 當(dāng)數(shù)字和模擬電路在同一塊板卡上共享相同的元件時(shí)，電路的布局及布線必須講究方法。圖 1 所示的矩陣對混合信號 PCB的設(shè)計(jì)規(guī)劃有幫助。只有揭示數(shù)字和模擬電路的特性，才能在實(shí)際布局和布線中達(dá)到要求的 PCB 設(shè)計(jì)目標(biāo)。 圖 1：模擬和數(shù)字電路：混合信號設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面 在混合信號 PCB 設(shè)計(jì)中，對電源走線有特別的要求并且要求模擬噪聲和數(shù)字電路噪聲相互隔離以避免噪聲耦合，這樣一來布局和布線的復(fù)雜性就增加了。對電源傳輸線的特殊需求以及隔離模擬和數(shù) 字電路之間噪聲耦合的要求，使混合信號 PCB 的布局和布線的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。 如果將 A/D 轉(zhuǎn)換器中模擬放大器的電源和 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源接在一起，則很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響?；蛟S，由于輸入 /輸出連接器位置的緣故，布局方案必須把數(shù)字和模擬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方案的基本弱點(diǎn)。即使存在虛假判斷，大部分工程師傾向利用布局和布線信息來識別潛在的電氣影響。 二、 現(xiàn)代混合信號 PCB 的布局和布線 下面將通過 OC48 接口卡的設(shè)計(jì)來 闡述混合信號 PCB 布局 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 3 頁 共 25 頁 和布線的技術(shù)。 OC48 代表光載波標(biāo)準(zhǔn) 48，基本上面向 串行光通訊，它是現(xiàn)代通訊設(shè)備中高容量光通訊標(biāo)準(zhǔn)的一種。 OC48接口卡包含若干典型混合信號 PCB 的布局和布線問題，其布局和布線過程將指明解決混合信號 PCB 布局方案的順序和步驟。 圖 2： OC48 接口卡的邏輯 如圖 2 所示， OC48 卡包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)光信號和模擬電信號雙向轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器。模擬信號輸入或輸出數(shù)字信號處理器， DSP將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯電平，從而可與微處理器、可編程門陣列以及在 OC48 卡上的 DSP 和微 處理器的系統(tǒng)接口電路相連接。獨(dú)立的鎖相環(huán)、電源濾波器和本地參考電壓源也集成在一起。 其中，微處理器是一個(gè)多電源器件，主電源為 2V， 的I/O 信號電源由板上其他數(shù)字器件共享。獨(dú)立數(shù)字時(shí)鐘源為 OC48 I/O、微處理器和系統(tǒng) I/O 提供時(shí)鐘。 經(jīng)過檢查不同功能電路塊的布局和布線要求，初步建議采用12 層板，如圖 3 所示。微帶和帶狀線層的配置可以安全地減少鄰近走線層的耦合并改善阻抗控制。第一層和第二層之間設(shè)置接地層，將把敏感的模擬參考源、 CPU 核和 PLL 濾波器電源的布線與在第一層的微處理器和 DSP 器件相隔離。電源和接地層總是成對出現(xiàn)的，與 OC48 卡上為共享 電源層所做的一樣。這樣將降低電源和地之間的阻抗，從而減少電源信號上的噪聲。 要避免在鄰近電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線和高頻模擬信號 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 4 頁 共 25 頁 線，否則，電源信號的噪聲將耦合到敏感的模擬信號之中。 要根據(jù)數(shù)字信號布線的需要，仔細(xì)考慮利用電源和模擬接地層的開口 (split)，特別是在混合信號器件的輸入和輸出端。在鄰近信號層穿過一開口走線會造成阻抗不連續(xù)和不良的傳輸線回路。這些都會造成信號質(zhì)量、時(shí)序和 EMI 問題。 有時(shí)增加若干接地層，或 在一個(gè)器件下面為本地電源層或接地層使用若干外圍層，就可以取消開口并避免出現(xiàn)上述問題，在OC48 接口卡上就采用了多個(gè)接地層。保持開口層和布線層位置的層疊對稱可以避免卡變形并簡化制作過程。由于 1 盎司覆銅板耐大電流的能力強(qiáng)， 電源層和對應(yīng)的接地層要采用 1 盎司覆銅板，其它層可以采用 盎司覆銅板，這樣，可以降低暫態(tài)高電流或尖峰期間引起的電壓波動。 如果你從接地層往上設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)采用 英寸和 英寸厚度的卡以支撐布線層及接地隔離層?？ǖ暮穸冗€必須根據(jù)過孔焊盤和孔的布線特征尺寸調(diào) 整，以便使鉆孔直徑與成品卡厚度的寬高比不超過制造商提供的金屬化孔的寬高比。 如果要用最少的布線層數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、高產(chǎn)量的商業(yè)產(chǎn)品，則在布局或布線之前，要仔細(xì)考慮混合信號 PCB 上所有特殊電源的布線細(xì)節(jié)。在開始布局和布線之前，要讓目標(biāo)制造商復(fù)查初步的分層方案?；旧弦鶕?jù)成品的厚度、層數(shù)、銅的重量、阻抗 (帶容差 )和最小的過孔焊盤和孔的尺寸來分層，制造商應(yīng)該書面提供分層建議。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 5 頁 共 25 頁 建議中要包含所有受控阻抗帶狀線和微帶線的配置實(shí)例。要將你對阻抗的預(yù)測與制造商對阻抗的結(jié)合起來考慮，然后，利用這些阻抗預(yù)測 可以驗(yàn)證用于開發(fā) CAD 布線規(guī)則的仿真工具中的信號布線特性。 三、 OC48 卡的布局 在光收發(fā)器和 DSP 之間的高速模擬信號對外部噪聲非常敏感。同樣，所有特殊電源和參考電壓電路也使該卡的模擬和數(shù)字電源傳輸電路之間產(chǎn)生大量的耦合。有時(shí)，受機(jī)殼形狀的限制，不得不設(shè)計(jì)高密度板卡。由于外部光纜接入卡的方位和光收發(fā)器部分元件尺寸較高，使收發(fā)器在卡中的位置很大程度上被固定死。系統(tǒng) I/O 連接器位置和信號分配也是固定的。這是布局之前必須完成的基礎(chǔ)工作 (見圖 4)。 與大多數(shù)成功的高密度模擬布局和布線方案一樣 ，布局要滿足布線的要求，布局和布線的要求必須互相兼顧。對一塊混合信號 PCB 的模擬部分和 2V 工作電壓的本地 CPU 內(nèi)核，不推薦采用 “先布局后布線 ”的方法。對 OC48 卡來說， DSP 模擬電路部分包含有模擬參考電壓和模擬電源旁路電容的部分應(yīng)首先互動布線。完成布線后
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