混合信號 PCB 設計：是什么讓它變得困難？

我們討論了印刷電路板 (PCB) 設計師在談到進行混合信號設計時最可能指的是什么。作為其中的一部分，我們考慮了可能涉及的不同類型的電路，并且我們觸及了每種電路所涉及的高級差異和挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，您可能想知道為什么這些真的很重要，以及為什么它比實施純模擬 PCB 設計更難。

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)信號干擾。構成現(xiàn)代系統(tǒng)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系統(tǒng)的信號完整性。

作為混合信號開發(fā)過程的重要組成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置僅僅是開始。還有其他因素必須考慮，包括電路板各層以及如何適當管理這些層，以最大程度地減少寄生電容 (PCB的平面間層之間可能會意外產生此類電容)引起的干擾。

接地也是混合信號系統(tǒng)的PCB布局設計中的一個重要步驟。盡管接地是行業(yè)中經常爭論的一個話題，但對于工程師來說，制定一套標準化方法不一定是最簡單的任務。例如，高質量接地的某個單一問題可能會影響高性能混合信號PCB設計的整個布局。因此，不應忽略此方面。

不要誤會我們的意思……

讓我們馬上澄清一件事——所有 PCB 設計都具有挑戰(zhàn)性，無論是否混合信號。從頭到尾開發(fā)設計意味著一系列步驟和決策，所有這些都與權衡和妥協(xié)混合在一起，最終產生(希望)滿足您繼承的要求的成品。讓我們從 PCB 設計的角度快速瀏覽其中的一些設計步驟。

· 定義您的要求

o 在我們看來，這無疑是當今設計工作中最被低估和未充分利用的步驟。沒有明確的要求，取得成功將變得更加困難。(也許我們會在以后的專欄中更深入地探討這個主題。)

· 規(guī)劃設計

o 盡早選擇關鍵和核心組件。如果您正在使用具有 16 個相同模擬輸入通道的模擬 PCB，那么請做功課和研究以找到要使用的完美運算放大器。如果您正在開發(fā) Wi-Fi 模塊，請閱讀可用的 PA/LNA 設備和射頻收發(fā)器。也許使用一個完整的模塊更有意義。關鍵是在啟動原理圖捕獲工具之前做好這項工作。計劃、計劃、計劃——然后你就可以擔心執(zhí)行了。

o 繪制框圖。電源樹、信號流、平面規(guī)劃和系統(tǒng)互連只是可以從早期圖表中獲益的幾個例子。

o 考慮 PCB 疊層、材料和約束。

· 捕捉原理圖

o 完成規(guī)劃并選擇關鍵組件后，您應該有信心開始捕捉電路設計意圖。

o 不要忘記記錄您的所有設計決策。歷史參考很重要;兩年后，當您出于各種原因需要重新訪問 PCB 時，捕獲關鍵決策對您來說將具有不可估量的價值。

· 布局印刷電路板

o 將銅放在 FR-4(或您可能決定使用的任何 PCB 材料)上并準備訂購您的 PCB。

以上提供了一個很好的概述，任何 PCB 設計都應牢記在心，但每種類型的電路設計都有其自身的細微差別和挑戰(zhàn)。

想象一下，執(zhí)行我們剛剛為 E3 可能認為適用于大多數行業(yè)的典型 PCB 概述的步驟：

· ARM 處理器和/或 FPGA

· 高速串行通信

· 模擬信號調理和處理

· 電源轉換

對于各行各業(yè)的嵌入式控制器來說，這是一種相當常見的電路組合。這里有許多以預期方式交互的事物，您還需要防止它們以非預期方式交互?？紤]幾個例子：

· 您不希望您的高速通信耦合到模擬信號中。

· 您不希望來自電源轉換的高電流環(huán)路耦合到任何東西中。

現(xiàn)在開始向組合中添加更多類型的電路——例如 RF 設計——問題開始復雜化并進一步限制您的設計。很快，您將面臨艱巨的挑戰(zhàn)。

總結(暫時)

不用擔心!當然，做這樣的工作很有挑戰(zhàn)性，有時看起來絕對是一項不可能完成的任務，即使對于經驗最豐富的設計師來說也是如此，但我們保證這是可以做到的。我們就是活生生的證據。

當我們畢業(yè)時，我們對此知之甚少，但在我們職業(yè)生涯的 10 年里，我們被認為是非常優(yōu)秀的設計工程師(請原諒我們缺乏謙遜)。

使混合信號設計變得困難的事情也使它變得有趣。它促使您學習新事物并批判性地思考基本的工程原理。我們甚至沒有涵蓋來自您自己的設計需求之外的約束——例如安全、EMC/EMI 和環(huán)境法規(guī)的統(tǒng)一標準。然后是產品驅動的約束，但我們離題了……